量子路径不可区分性实现无纠缠光子贝尔不等式破缺：多光子受抑干涉揭示量子关联新机制

研究人员通过四光子受抑干涉实验，首次实现了不依赖量子纠缠的贝尔不等式破缺（violation of Bell inequality），验证了量子不可区分性（quantum indistinguishability）可产生超越经典极限的量子关联。该研究通过路径全同（path identity）技术构建多光子干涉仪，观测到超过4个标准差的CHSH-Bell参数S=2.275±0.057，为量子基础理论开辟了新视角，并为量子信息技术提供了全新资源。

　　

量子力学与经典物理的根本分歧在于贝尔不等式（Bell inequality）的破缺，这种现象传统上被认为必须依赖量子纠缠（quantum entanglement）。然而，这种认知在近年来受到挑战——是否存在不依赖纠缠的量子关联机制？中国科学技术大学的研究团队在《SCIENCE ADVANCES》发表的研究给出了肯定答案。他们通过精妙的四光子受抑干涉（frustrated interference, FI）实验，首次实现了基于路径全同（path identity）的贝尔不等式破缺，为量子基础物理开辟了新范式。

研究团队采用自发参量下转换（SPDC）技术构建了包含四个非线性晶体的干涉系统。通过精确控制光子路径的不可区分性，利用相位调制器调节α和β参数，采用符合计数（coincidence counting）测量四光子关联事件。关键技术包括：多光子路径全同调控、相位稳定干涉系统构建、正交基投影测量等。

实验结果

1. 四光子受抑干涉：如图1所示，通过将信号光子（s₁-s₄）和闲频光子（i₁-i₄）的路径全同化，实现了两种四光子产生过程的量子干涉。当相位差α+β=π时，四重符合计数率N(α,β)呈现完全相消干涉。

2. 贝尔不等式破缺：通过构造联合概率分布（Eqs. 3-6），测得CHSH-Bell参数S=2.275±0.057（经典极限为2），超过4个标准差。值得注意的是，单边测量结果（图3B）不显示干涉条纹，证实关联的非局域性。

3. 非纠缠特性验证：通过单模光纤耦合和带宽滤波消除了光子间的动量-频率纠缠，证明观测现象源于路径不可区分性而非传统纠缠。

讨论与意义

该研究颠覆了"贝尔不等式破缺必源于纠缠"的传统认知，揭示了量子不可区分性作为新型量子资源的重要性。正如作者强调，实验中"路径信息从未存在"（Zou et al. 1991），这与量子擦除实验有本质区别。理论分析表明（Eq. 19），高阶项截断不会导致超光速通信悖论。

这项研究为量子信息科学提供了全新思路：在量子成像、光谱学等领域，路径全同技术可替代传统纠缠资源；在基础层面，它重新审视了量子关联的物理本质。尽管存在采样漏洞等局限，但正如贝尔实验的发展历程，这项工作为未来实现无漏洞验证奠定了基础。