量子非定域性与互文性是量子力学中的两大核心概念，它们能否相互转化？这一基本问题长期吸引着理论物理学家的关注。近日，厦门大学物理科学与技术学院陈理想教授团队基于图论方法和双光子高维轨道角动量纠缠态调控技术，首次在实验中验证了量子互文性向非定域性的转化，相关成果以 “Orbital Angular Momentum Experiment Converting Contextuality into Nonlocality” 为题发表于Physical Review Letters 134, 010203 (2025).

非定域性是量子力学的基本特性之一，指空间分离的量子系统间存在超越经典理论定域性与实在性框架的量子关联；互文性则描述了测量结果对其他兼容测量的依赖性。这两种神秘的量子特性不仅是基础物理研究的重要课题，还在量子通信、量子密码学和量子计算等领域具有广泛应用。然而，随着量子信息处理的复杂性日益增加，单独依赖非定域性或互文性完成任务的局限性愈发明显，这促使科学界对两者的关系进行深入探索。

近年来，国际知名量子物理学家Adán Cabello教授提出了一项开创性理论，将量子互文性和非定域性巧地联系起来[Phys. Rev. Lett. 127, 070401(2021)]，即基于量子互文集构造了一类Bell型不等式系统性地描述了互文性与非定域性的联系及其量子物理约束。Cabello理论为两种看似独立的量子特性建立了深层联系。但是，尽管其构想令人瞩目，如何将这一理论方法付诸于实验验证却面临着重要挑战。

为解决这一难题，陈理想教授团队以图论方法为核心，在高维希尔伯特空间中系统搜寻最优量子互文集，并成功将其转换至非定域性框架。他们利用双光子的高维轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)纠缠态调控技术对量子互文集进行实验验证，首次在物理实验中验证了Cabello所提出的这一著名理论构想的正确性。

图1. 高维OAM量子纠缠调控的实验光路系统

该实验方案如图1所示，研究团队通过自发参量下转换过程产生纠缠光子对，并利用空间光调制器(SLM)加载可控的全息光栅，从而实现高维OAM叠加态的生成和测量。该实验的一个关键技术是采用了Procrustean滤波，实现了高维纠缠态浓缩，以获得高质量的高维OAM最大化纠缠态。实验验证了多种维度下的量子互文集，其中三维互文集的图论结构及其在对应 OAM 态空间中的实验结果如图2所示。该互文集由13个投影测量算符组成，适用于任意测量态，是三维系统中基数最小的态无关且严格的互文集。此外，实验还成功验证了四维和六维系统中最优化的量子互文集，为高维量子系统的研究提供了重要实验支持。本研究不仅首次在实验上验证了 Cabello 理论，还为探索量子互文性和非定域性之间的深层联系开辟了新路径。这一成果为高维量子态的复杂关联研究提供了重要实验依据，并为多种量子资源协同优化的高维量子信息处理任务奠定了基础，展示了在高维量子通信与量子计算领域的广阔应用前景。

图2. (a)三维系统中最简化的态无关量子互文集，其矢量之间的正交关系通过图结构表示。其中，顶点代表13个不同的测量矢量，红色顶点的权重为2，蓝色顶点的权重为3，连接的顶点表示对应的测量矢量彼此正交；(b)该互文集在对应OAM态空间中的实验结果图。

该创新性实验工作一经发表，便引发国际学术界关注。近日，国际知名科学杂志New Scientist网站以“Twisted light may illuminate how quantum spookiness works”为题专文采访报道，特别强调，“物理学家证实了两种违反直觉的量子特性之间的联系，这很可能助于我们理解量子物体如何通过纠缠保持密不可分的联系！”New Scientist记者也同时采访了Adán Cabello教授，他对该实验结果给予了高度评价，“当我多年前开始研究这些问题时，这些实验还是遥远的梦想。而现在，实验结果完全符合量子力学的预测。这是一个极其优美的验证，表明自然界确实以惊人的精度遵循量子力学。”

图3. 该实验工作被New Scientist采访报道

该论文的第一作者为厦门大学物理学系2021级博士生盛见齐，通讯作者为陈理想教授和张冬凯博士（现为华侨大学青年教师）。该工作得到了国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划、厦门大学南强青年拔尖人才等项目的资助。

文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.010203

New Scientist网站链接：

https://www.newscientist.com/article/2465541-twisted-light-may-illuminate-how-quantum-spookiness-works/