2023年，诺贝尔物理学奖授予了量子纠缠的研究。这一现象曾被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”：无论粒子相隔多远，它们之间依然保持紧密的联系。
不过，纠缠并不是量子世界中唯一的联系形式。还有一种更微妙的关联，被称作“量子失谐”（quantum discord）。科学家们发现，它在未来的量子计算、量子通信等应用中同样可能发挥重要作用。
过去，量子失谐的测量几乎只局限于两个粒子之间。然而，真实的量子系统——无论是量子计算机还是量子密码学——往往涉及多个粒子相互作用。在多粒子体系中准确测量失谐，一直是科研上的一道难题。
早在2020年，上海纽约大学物理学副教授Tim Byrnes团队就提出了一种数学方法，可以测量任意数量粒子之间的量子失谐，这是许多传统方法无法做到的。近日，他们与印度莫哈里科学教育与研究学院（IISER Mohali）的物理学教授Kavita Dorai团队展开合作，将这一方法付诸实验，成果发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。
此次合作中，团队首次实现了三粒子量子失谐的实验测量。研究采用了核磁共振（NMR）实验手段操控并探测量子态，该技术既能兼顾经济成本，且有效性高。论文合著者、上海纽约大学计算机科学访问副教授 Chandrashekar Radhakrishnan 解释说：“Dorai 教授长期致力于利用核磁共振开展量子计算研究，因此这次合作非常契合。”
研究人员利用核磁共振制备了三种不同构型的量子比特：有些高度纠缠，有些纠缠程度较低，随后分别测量了其中存在的量子失谐。结果与 2020 年的理论预测完全一致，证明该方法不仅在公式层面可行，在实验中同样成立。
“五年前，我们只有一个停留在理论层面的数学公式，”Radhakrishnan 回忆道，“如今，我们在真实实验中验证了它。”
在此之前，多粒子之间的量子关联（包括纠缠）的测量要么极其困难，要么几乎无法实现。而新方法为测量任意数量粒子的量子失谐提供了一条通用途径。
Byrnes 教授表示，这一成果有助于推进量子信息科学发展：“无论是量子密码学、量子计算，还是量子计量学，都依赖量子关联。量子失谐是一种即便不涉及纠缠也能利用的资源。能够测量它，意味着我们离实际应用更近了一步。”
团队也期待，这一研究能为更大规模系统中的量子失谐测量铺平道路，并推动其在未来量子技术中发挥作用。