中国科大实现基于多维关联压印的纳米尺度多体纠缠探测

中国科学技术大学自旋磁共振实验室王亚教授和北京师范大学王评副教授合作，在量子多体系统探测上取得重要进展。研究团队提出一种名为“多维关联压印”的全新方法，成功将难以直接观测的高阶量子关联信息“编码”至一个局域量子探针的噪声信号中，从而实现对复杂量子系统内部关联的间接高清探测。相关成果12月9日以“Nanoscale Detection of Many-Body Entanglement via Multidimensional Correlation Imprinting”为题在线发表于国际学术期刊《物理评论快报》。

理解量子多体系统的非平衡动力学，是现代物理学的核心前沿。其中的关键在于探测系统内部粒子间的高阶关联（尤其是量子纠缠），但对于缺乏单粒子独立操控能力的复杂系统，一直是亟待解决的难题。

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图：(a)方法概念图。（b）三体关联的重构。（c）通过关联累积量可视化量子纠缠的建立过程。

为解决这一难题，研究团队开发了“多维关联压印技术”。其核心思想是将一个无法直接测量的复杂多体系统与一个高度敏感的局域量子探针耦合。多体系统的复杂关联会作为独特的“印记”，“压印”在探针相对容易读取的时间涨落频谱上。通过解读这些频谱“密码”，便能反推出系统内部的多体关联特性（图(a)）。在实验验证中，研究团队利用金刚石氮空位色心量子探针，首次成功重构了其周围核自旋环境的三阶关联（图(b)）。通过分析关联累积量的谱结构，该方法还能够直接可视化量子纠缠的建立过程（图(c)），为探测纠缠这一奇特的量子资源提供了崭新途径。

这项研究为表征缺乏个体寻址能力的量子多体系统开辟了一条具有通用潜力的实验路径。它不仅适用于基础物理研究（如多体关联传播、检验Lieb-Robinson界），未来还有望应用于新型量子材料的表征，以及对日益复杂的量子模拟器的有效验证，从而推动量子科技的发展。

中国科学技术大学自旋磁共振实验室博士生张涛、特任副研究员季文韬为论文共同第一作者，王亚和王评为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、科技部等资助。

论文链接：https://link.aps.org/doi/10.1103/zfk1-7t4d