国内首次量子互文无泄漏测试可验证量子计算机的真实性

近日，中国清华大学Kihwan Kim教授团队首次成功演示了量子互文性的无泄漏测试，开辟了一条证明量子系统真实性的路径。

清华大学物理系金启元教授领导的离子阱中的量子计算研究组、北京量子信息科学研究所王鹏飞、中国南方科技大学张军华等研究人员与塞维利亚大学一起，首次基于混合离子阱系统演示了量子互文性的无泄漏测试。这项研究成果最近发表在《科学进展》(科学进展)上。

图片来自《科学进展》(科学进展)

据了解，量子互文性是指在大于二维的单个量子系统中进行两次连续的量子测量，后一次测量的结果会受到前一次的影响。

量子互文性是量子系统与经典系统的本质区别。在经典物理中，当同一系统的同一观测以不同的顺序或时间点进行测量时，结果总是相同的。所以，人们很自然地认为这些观测值存在了很久，测量后依然存在。

但是这个假设在量子力学中是不成立的。量子系统中的一对测量也可以产生互不干扰的测量结果和重复测量时相同的结果，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的本征值的假设来解释。这一现象由Kochen，Specker和Bell于1960年提出，产生了量子力学中量子互文性的Bell-Kochen-Specker定理。这个性质现在被证明是量子计算机优于经典计算机的内在原因。

然而，如何在封闭所有“漏洞”的情况下，通过实验检验量子互文性，一直是一个非常具有挑战性的问题。只要实验有漏洞，实验结果就能被轻易推翻。

量子互文性检验与贝尔检验非常相似，但前者不需要类空间分离的条件。虽然一些贝尔测试实验已经被证明没有大的漏洞，但是包括量子计算机在内的许多量子系统很难容纳类空划分关系的子分量。

在这种情况下，人们如何知道系统在量子态下运行，受量子力学原理控制？量子互文性测试可以提供一个解决方案。在光子、中子、离子、分子核自旋和超导系统的体系中，科学家们观察到了违反量子互文性不等式的现象，但他们无法堵住所有的漏洞。

清华大学研发的离子阱量子计算系统，图片来自金启源课题组。

齐欢教授的研究小组提出了一种利用复合系统进行无泄漏量子互文性测试的实验方法。实验中使用两种不同的离子，保证它们互不干扰，分别对两种离子重复测量，保证理想的观察条件，实验中不遗漏任何测量结果。最后，实验结果实现了违反15个标准差的量子互文性不等式。

量子互文性的实验验证主要涉及两类漏洞，探测漏洞和理想观测漏洞，其中理想观测漏洞可分为锐度漏洞和兼容性漏洞。本研究中使用的混合双离子系统利用荧光检测技术检测量子比特状态。该系统允许研究人员对每个离子进行连续、可重复、高效的单次荧光测量，从而实现100%的检测效率(即实验中所有实验没有遗漏任何结果)和高达98%的检测保真度，并关闭检测孔和锐度孔。

混合离子系统包含一个Ba离子和一个Yb离子，它们被捕获在Paul阱中。量子互文性不等式的每一对观测值分别对应一对不同的离子，两个离子有完全不同的操作激光器、探测激光器和探测器件，从而堵住了兼容性漏洞，增强了兼容性。

该研究成果不仅对基础研究具有重要意义，而且可以广泛应用于量子信息的其他领域。比如很多量子系统因为无法实现类空间分离的尺寸而无法通过贝尔测试，但是量子系统的真实性可以通过量子互文无泄漏测试来验证。比如检测一台“量子计算机”是否是真正的量子计算机，还可以用于自验证量子随机数发生器、盲量子计算等等。

本文通讯作者为清华大学金教授和塞维利亚大学阿丹卡韦略教授。共同第一作者是清华大学博士研究生王鹏飞和张军华，他们分别是北京量子信息科学研究所和南方科技大学的助理研究员。其他作者包括栾春阳、乔木、严凯尔、王业、谢天河和清华大学北京量子学院助理研究员张静宁。