我國實(shí)現(xiàn)首次量子互文性無漏洞測試，可驗(yàn)證量子計(jì)算機(jī)真?zhèn)?/h1>

澎湃新聞記者 王蕙蓉

2022-02-16 07:56

來源：澎湃新聞

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近日，我國清華大學(xué)金奇奐(Kihwan Kim)教授團(tuán)隊(duì)首次成功演示量子互文性無漏洞測試，開拓了證明量子系統(tǒng)真?zhèn)蔚穆窂健?/p>

由清華大學(xué)物理系金奇奐教授領(lǐng)導(dǎo)的離子阱量子計(jì)算課題組、北京量子信息科學(xué)研究院的王鵬飛、南方科技大學(xué)張君華聯(lián)合西班牙塞維利亞大學(xué)等研究人員，在基于混合離子阱系統(tǒng)下首次演示了量子互文性無漏洞測試。研究成果于近日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。

圖片來自《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)

據(jù)了解，量子互文性是指在單個(gè)大于兩維的量子系統(tǒng)中，兩個(gè)相繼發(fā)生的量子測量，后一個(gè)測量結(jié)果會受到前者的影響。

量子互文性是量子體系和經(jīng)典體系之間的本質(zhì)區(qū)別。在經(jīng)典物理學(xué)中，以不同的順序或時(shí)間點(diǎn)，測量同一個(gè)體系的同一觀測量時(shí)，結(jié)果總是相同的。因此，人們自然地認(rèn)為這些觀測值早就存在，并且在測量后依然存在。

但該假設(shè)在量子力學(xué)中并不成立。量子系統(tǒng)中的一對測量也可以產(chǎn)生互不干擾的測量結(jié)果并且在重復(fù)測量時(shí)產(chǎn)生相同的結(jié)果，但即使在這種情況下，它們測量結(jié)果的相關(guān)性也不能用預(yù)先存在內(nèi)在值的假設(shè)來解釋。這一現(xiàn)象由科亨(Kochen)、 施佩克爾(Specker)和貝爾(Bell)在1960年提出，由此產(chǎn)生量子力學(xué)中量子互文性的Bell-Kochen-Specker定理。該性質(zhì)如今被證明是量子計(jì)算機(jī)性能超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的內(nèi)在原因。

但如何在關(guān)閉所有“漏洞”情況下，通過實(shí)驗(yàn)測試量子互文性一直是極具挑戰(zhàn)的問題。只要實(shí)驗(yàn)上存在漏洞，就可以輕易推翻實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

量子互文性測試和Bell測試很類似，但前者并不需要類空間隔這一條件。盡管一些Bell測試實(shí)驗(yàn)已在沒有重大漏洞的情況下被證明，但包括量子計(jì)算機(jī)在內(nèi)的很多量子系統(tǒng)難以容納類空間隔關(guān)系的子部件。

在這種情況下，人們該如何知道系統(tǒng)是在量子狀態(tài)下運(yùn)行的并受量子力學(xué)原理的控制呢?量子互文性測試可以提供一個(gè)解決方案。在光子、中子、離子、分子核自旋、超導(dǎo)系統(tǒng)的體系中，科學(xué)家已經(jīng)觀察到量子互文性不等式的違背，但都無法關(guān)閉所有漏洞。

清華大學(xué)研發(fā)的離子阱量子計(jì)算系統(tǒng)，圖片來自金奇奐課題組

金奇奐教授的課題組提出一種利用復(fù)合系統(tǒng)進(jìn)行無漏洞量子互文性測試的實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)中使用兩種不同離子進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來保證它們彼此互不干擾，并通過對兩種離子分別進(jìn)行重復(fù)測量來保證理想觀測條件，并且實(shí)驗(yàn)中沒有遺漏任何測量結(jié)果。最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)了對量子互文性不等式15個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的違背。

量子互文性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證主要涉及兩種漏洞，探測性漏洞和理想觀測漏洞，其中理想觀測漏洞可分為鋒利性漏洞和兼容性漏洞。該研究采用的混合雙離子系統(tǒng)用熒光探測技術(shù)探測量子比特狀態(tài)，該系統(tǒng)允許研究人員對每個(gè)離子進(jìn)行連續(xù)的、可重復(fù)的、高效率的單次熒光測量，因此實(shí)現(xiàn)了100%的探測效率（即實(shí)驗(yàn)中所有試驗(yàn)都沒有遺漏任何結(jié)果）和高達(dá)98%的探測保真度，關(guān)閉了探測性漏洞和鋒利性漏洞。

混合雙離子系統(tǒng)包含囚禁在保羅阱中的一個(gè)Ba離子和一個(gè)Yb離子。量子互文性不等式的每對觀測量分別對應(yīng)一對不同的離子，并且兩個(gè)離子具有完全不同的操作激光、探測激光以及探測裝置，從而關(guān)閉了兼容性漏洞，增強(qiáng)了兼容性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地顯示了量子互文性不等式的違背，并開拓了證明量子系統(tǒng)的途徑。

混合離子阱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，圖片來自論文

該研究成果除了對于基礎(chǔ)研究意義重大外，還可以廣泛地應(yīng)用在量子信息的其它領(lǐng)域。比如很多量子體系因?yàn)槌叽绮荒軐?shí)現(xiàn)類空間隔而無法進(jìn)行Bell測試，但可以通過量子互文性無漏洞測試來驗(yàn)證量子系統(tǒng)的真?zhèn)?。比如檢測 “量子計(jì)算機(jī)”是不是真正的量子計(jì)算機(jī)，還可用于自驗(yàn)證的量子隨機(jī)數(shù)發(fā)生器、盲量子計(jì)算等。

該論文通訊作者為清華大學(xué)的金奇奐教授和西班牙塞維利亞大學(xué)Adán Cabello教授。共同第一作者是清華大學(xué)博士畢業(yè)生王鵬飛和張君華，目前分別是北京量子信息科學(xué)研究院和南方科技大學(xué)的助理研究員。其他作者有清華大學(xué)的欒春陽、喬木、嚴(yán)馬可、汪野、謝天和北京量子院助理研究員張靜寧。

責(zé)任編輯：李躍群

校對：張艷

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