近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）拓扑量子计算团队与以色列Weizmann研究所Yuval Gefen团队、Moty Heiblum团队，以及卡尔斯鲁厄理工学院Igor V. Gornyi团队开展合作，理论上提出由粒子统计导致的量子纠缠和纠缠熵，并在整数量子霍尔系统中完成了测量。2024年4月23日，该研究成果以“Measuring statistics-induced entanglement entropy with a Hong-Ou-Mandel interferometer”为题发表在《Nature Communications》上。

量子纠缠和基本粒子的量子统计特性是量子力学领域的两个关键概念。其中，量子纠缠，特别是其非局域性质，对于量子通讯至关重要；而量子统计，尤其是非阿贝尔任意子的量子统计，则是拓扑量子计算领域的基石。尽管如此，除了极少数相关文献，之前尚未有研究系统地深入探讨这两个概念之间的关系。

研究人员开创性地将这两个量子科技领域的重要概念进行了结合，提出了由量子统计导致的量子纠缠这一概念，并且定义了实验上可观测的物理量，即所谓的“纠缠指针”和“统计导致的量子纠缠熵”。研究人员同时讨论并指出了这两个物理量与贝尔不等式的关系。进一步在整数量子霍尔系统（如图A所示，基于GaAs-AlGaAs异质结的二维电子气）中实现了对上述物理量的测量（见图D和图E），尤其是如图E所示研究结果实现了输运系统中冯诺依曼纠缠熵的开创性测量。

图A. 实验材料基于GaAs-AlGaAs异质结。本研究讨论两个子系统（Subsystems A and B）之间的量子纠缠和纠缠熵。图B. 实验测量的交叉噪声（cross correlation, CC）。实验数据（黑点）和存在相互作用的理论结果（蓝线）符合较好，且和非相互作用理论结果（红线）有明显差异。图C. 纠缠指针（EP）的实验（黑点）和理论结果（蓝线和红线）。图D. 统计导致的量子纠缠熵（SEE）的实验（黑点）和理论结果（蓝线和红线）。

如图D和图E所示，实验观测值与理论预期显著符合。此外，与一般交叉噪声（图B和图C）相比，由于与统计性质相关，研究人员提出的函数对相互作用具有显著的抗性。值得注意的是，这项研究具有推广至任意子，甚至非阿贝尔任意子的潜力，为拓扑量子计算提供了新的思路。

该研究论文第一作者为量子院助理研究员张谷、Weizmann研究所博士后Changki Hong和博士生Tomer Alkalay，通讯作者为Weizmann研究所Moty Heiblum教授、卡尔斯鲁厄理工学院Igor Gornyi教授，以及Weizmann研究所Yuval Gefen教授。其他合作者还包括Weizmann研究所的Vladimir Umansky博士等。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47335-z#article-info