我国实现首次量子互文性无漏洞测试,可验证量子计算机真伪

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近日,我国清华大学金奇奂(Kihwan Kim)教授团队首次成功演示量子互文性无漏洞测试,开拓了证明量子系统真伪的路径。
由清华大学物理系金奇奂教授领导的离子阱量子计算课题组、北京量子信息科学研究院的王鹏飞、南方科技大学张君华联合西班牙塞维利亚大学等研究人员,在基于混合离子阱系统下首次演示了量子互文性无漏洞测试。研究成果于近日发表在《科学进展》(Science Advances)上。

图片来自《科学进展》(Science Advances)

据了解,量子互文性是指在单个大于两维的量子系统中,两个相继发生的量子测量,后一个测量结果会受到前者的影响。
量子互文性是量子体系和经典体系之间的本质区别。在经典物理学中,以不同的顺序或时间点,测量同一个体系的同一观测量时,结果总是相同的。因此,人们自然地认为这些观测值早就存在,并且在测量后依然存在。
但该假设在量子力学中并不成立。量子系统中的一对测量也可以产生互不干扰的测量结果并且在重复测量时产生相同的结果,但即使在这种情况下,它们测量结果的相关性也不能用预先存在内在值的假设来解释。这一现象由科亨(Kochen)、 施佩克尔(Specker)和贝尔(Bell)在1960年提出,由此产生量子力学中量子互文性的Bell-Kochen-Specker定理。该性质如今被证明是量子计算机性能超越经典计算机的内在原因。
但如何在关闭所有“漏洞”情况下,通过实验测试量子互文性一直是极具挑战的问题。只要实验上存在漏洞,就可以轻易推翻实验结果。
量子互文性测试和Bell测试很类似,但前者并不需要类空间隔这一条件。尽管一些Bell测试实验已在没有重大漏洞的情况下被证明,但包括量子计算机在内的很多量子系统难以容纳类空间隔关系的子部件。
在这种情况下,人们该如何知道系统是在量子状态下运行的并受量子力学原理的控制呢?量子互文性测试可以提供一个解决方案。在光子、中子、离子、分子核自旋、超导系统的体系中,科学家已经观察到量子互文性不等式的违背,但都无法关闭所有漏洞。

清华大学研发的离子阱量子计算系统,图片来自金奇奂课题组

金奇奂教授的课题组提出一种利用复合系统进行无漏洞量子互文性测试的实验方法。实验中使用两种不同离子进行实验来保证它们彼此互不干扰,并通过对两种离子分别进行重复测量来保证理想观测条件,并且实验中没有遗漏任何测量结果。最后的实验结果实现了对量子互文性不等式15个标准差的违背。
量子互文性的实验验证主要涉及两种漏洞,探测性漏洞和理想观测漏洞,其中理想观测漏洞可分为锋利性漏洞和兼容性漏洞。该研究采用的混合双离子系统用荧光探测技术探测量子比特状态,该系统允许研究人员对每个离子进行连续的、可重复的、高效率的单次荧光测量,因此实现了100%的探测效率(即实验中所有试验都没有遗漏任何结果)和高达98%的探测保真度,关闭了探测性漏洞和锋利性漏洞。
混合双离子系统包含囚禁在保罗阱中的一个Ba离子和一个Yb离子。量子互文性不等式的每对观测量分别对应一对不同的离子,并且两个离子具有完全不同的操作激光、探测激光以及探测装置,从而关闭了兼容性漏洞,增强了兼容性。实验结果清楚地显示了量子互文性不等式的违背,并开拓了证明量子系统的途径。

混合离子阱实验系统示意图,图片来自论文

该研究成果除了对于基础研究意义重大外,还可以广泛地应用在量子信息的其它领域。比如很多量子体系因为尺寸不能实现类空间隔而无法进行Bell测试,但可以通过量子互文性无漏洞测试来验证量子系统的真伪。比如检测 “量子计算机”是不是真正的量子计算机,还可用于自验证的量子随机数发生器、盲量子计算等。
该论文通讯作者为清华大学的金奇奂教授和西班牙塞维利亚大学Adán Cabello教授。共同第一作者是清华大学博士毕业生王鹏飞和张君华,目前分别是北京量子信息科学研究院和南方科技大学的助理研究员。其他作者有清华大学的栾春阳、乔木、严马可、汪野、谢天和北京量子院助理研究员张静宁。

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