近日，我國清華大學金奇奐(Kihwan Kim)教授團隊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真偽的路徑。

由清華大學物理系金奇奐教授領導的離子阱量子計算課題組、北京量子信息科學研究院的王鵬飛、南方科技大學張君華聯合西班牙塞維利亞大學等研究人員，在基于混合離子阱系統下首次演示了量子互文性無漏洞測試。研究成果于近日發表在《科學進展》(Science Advances)上。

圖片來自《科學進展》(Science Advances)

據了解，量子互文性是指在單個大于兩維的量子系統中，兩個相繼發生的量子測量，后一個測量結果會受到前者的影響。

量子互文性是量子體系和經典體系之間的本質區別。在經典物理學中，以不同的順序或時間點，測量同一個體系的同一觀測量時，結果總是相同的。因此，人們自然地認為這些觀測值早就存在，并且在測量后依然存在。

但該假設在量子力學中并不成立。量子系統中的一對測量也可以產生互不干擾的測量結果并且在重復測量時產生相同的結果，但即使在這種情況下，它們測量結果的相關性也不能用預先存在內在值的假設來解釋。這一現象由科亨(Kochen)、 施佩克爾(Specker)和貝爾(Bell)在1960年提出，由此產生量子力學中量子互文性的Bell-Kochen-Specker定理。該性質如今被證明是量子計算機性能超越經典計算機的內在原因。

但如何在關閉所有“漏洞”情況下，通過實驗測試量子互文性一直是極具挑戰的問題。只要實驗上存在漏洞，就可以輕易推翻實驗結果。

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測試實驗已在沒有重大漏洞的情況下被證明，但包括量子計算機在內的很多量子系統難以容納類空間隔關系的子部件。

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

清華大學研發的離子阱量子計算系統，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合系統進行無漏洞量子互文性測試的實驗方法。實驗中使用兩種不同離子進行實驗來保證它們彼此互不干擾，并通過對兩種離子分別進行重復測量來保證理想觀測條件，并且實驗中沒有遺漏任何測量結果。最后的實驗結果實現了對量子互文性不等式15個標準差的違背。

量子互文性的實驗驗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用熒光探測技術探測量子比特狀態，該系統允許研究人員對每個離子進行連續的、可重復的、高效率的單次熒光測量，因此實現了100%的探測效率（即實驗中所有試驗都沒有遺漏任何結果）和高達98%的探測保真度，關閉了探測性漏洞和鋒利性漏洞。

混合雙離子系統包含囚禁在保羅阱中的一個Ba離子和一個Yb離子。量子互文性不等式的每對觀測量分別對應一對不同的離子，并且兩個離子具有完全不同的操作激光、探測激光以及探測裝置，從而關閉了兼容性漏洞，增強了兼容性。實驗結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的途徑。

混合離子阱實驗系統示意圖，圖片來自論文

該研究成果除了對于基礎研究意義重大外，還可以廣泛地應用在量子信息的其它領域。比如很多量子體系因為尺寸不能實現類空間隔而無法進行Bell測試，但可以通過量子互文性無漏洞測試來驗證量子系統的真偽。比如檢測 “量子計算機”是不是真正的量子計算機，還可用于自驗證的量子隨機數發生器、盲量子計算等。

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