量子计算 “测谎仪”最后证明这些机器开发成爱因斯坦的“在距离上的诡异行动”而非只造假它

By Tristan Greene published 1 hour ago

Computing

研究人员开发了一种在一个量子计算系统中验证量子活动的实验方法。

When you purchase through links on our site, we may earn an affiliate commission. Here’s how it works.

(Image credit: Just_Super/Getty Images)

研究人员已经开发了一种确定是否被一台量子计算机执行的功能是量子力学的结果还是仅一个靠经典物理学的巧妙调整的实验方法。

2025年4月22日发表在《物理评论X》期刊上的一项标志性研究中，研究人员描述了一项验证并认证仅能通过量子力学被取得的计算活动的实验测试。

这个被研究人员描述为"量子测谎仪"的被用重构量子力学的一个著名测试和工程一台被训练以在一个经典系统上根本不可能来取得的方式专门目的建造的量子计算创造。

科学家们通过创造一个可编程的73量子比特"蜂窝"量子处理器并用叫一个可变量子电路（VQC）的混合量子-经典技术训练它完成了这个。这是一种机器学习循环，其中一台经典计算机迭代的帮助一台量子计算机用更高精度执行一个任务。

在此案例中，计算机的任务是取得一个能量状态如此低以致经由经典物理学不可能被取得。研究人员通过验证这一能量状态证明了量子力学。

开发成量子力学的法则

量子计算的最终目标之一是推动计算机能超越经典物理的法则将允许的能做的限制。二进制计算机如我们的手机、笔记本电脑、个人电脑、服务器和超级计算机都被经典物理学的基本法则约束。

经典计算中的位用1和0来进行复杂的计算，但它们只能按顺序处理计算。最终，对它们能在一个可行的时间量内完成的有一个限制。

另一方面，量子计算机用一个经典比特的量子等价物量子比特来开发成量子力学的诡异法则如量子纠缠来执行复杂的并行计算。在一个比特的状态能被表示为要么开启要么关闭（用1或0）的地方，一个量子比特占据一个即是开启又是关闭状态的超位（这意味着它可以是任一状态和任何状态的组合），直到它被测量为止。

当两个量子比特在距离上变得共相关时量子纠缠发生。测量一个的状态揭示任何被共相关的纠缠量子比特的状态。在经典物理学法则下，这会类似于在伦敦抛一枚硬币来确定在纽约一个同时的抛硬币的结果。随更多纠缠的量子比特被添加到一个系统，计算空间指数级的增长

在足够大的尺寸下，一台量子计算机的理论计算空间对一个二进制计算机系统变得数学上不可跟踪的，这被描述为“量子优势”或“量子霸权”

虽然量子现象能用诸如双缝实验等实验被证明，但证明一个多量子比特系统正在真正开发成量子力学是一个挑战。随一个量子系统中量子比特的数量增加这也变得指数级更困难的。

贝尔试验和在距离上的诡异行动

阿尔伯特·爱因斯坦等物理学家长期以来一直沉思了量子现象打破牛顿物理学的法则的阈值。本质上，这个问题归结到是否对一个量子运算没有经典的解释或者是否我们只是没有发现一个。

例如当表现有纠缠时，爱因斯坦著名的叫它为“在一个距离上的诡异行动”。他的基于局部现实主义的世界观坚持物体仅被它们的立即周围环境影响（局部性）并且在我们测量它们之前（现实主义）它们的属性明确的存在。

纠缠打破这种相对性。当两个粒子变得纠缠时它们存在于一种非局域状态中。为证明这个，科学家们进行了以爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔命名的贝尔测试。这涉及以多种随机选择的方式测量纠缠的粒子并检查统计结果。

如果测量结果之间的共相关是比任何经典理论从来允许的更强——一个被称为贝尔不等式的限制——那么这个系统就说是非局部的。

这证明“在距离上的诡异行动”是真实的，而不仅仅是偶然、数学技巧或经典仿真的结果。

蛮力仿真

确定量子计算是否实际上是量子性质的主要障碍之一是经典计算机能在一定点上用蛮力数学仿真量子态。这使来确定在“幕后”到底什么一直在发生艰难的。

因为没有红旗或警报表明当一个量子运算被执行时物理学的法则已经被打破，科学家们不得不找到来证明它们背后的支撑的量子力学的方法。

为取得这个，研究人员用73个量子比特的量子计算机运行了一项实验，通过将它设置为它的最低可能的能量状态然后测量系统中的能量。

在经典物理学中，能被取得的最低基态是零。一个从一座山上滚下来的球有一个高的、激励的能量状态。在它的最低能量状态，它的基态，球处于静止没有能量。

然而，在量子力学的法则下运行同一球可能有一个比零更低的能量状态。这通过纠缠是可能的。如果一个球被与另一个球纠缠，并且两者通过功能上径向能量状态被共相关，一个或两个球能被放在一个负能态中。

因为这在经典物理学的法则下是不可能的，根据定义确认这种负态是驱动这个系统的物理学真的是量子的一个证明。

RELATED STORIES

—Microsoft breakthrough could reduce errors in quantum computers by 1,000 times

—Quantum internet inches closer thanks to new chip — it helps beam quantum signals over real-world fiber optic cables

—Scientists invent quantum computing virtual machines — they'll slash turnaround times from days to hours

确认的结果是一个如此低以致它低于一个经典系统从来可能拥有到48个标准差的绝对最小能级的能量。

科学家在研究中写道，研究人员在更大的系统内多达24个量子比特的组中验证了这些非局部共相关，从来以这种方式一下子验证的最多的。

他们补充说，这项工作建立了一种验证量子活动的开创性方法。

随着进一步发展，这些技术可以帮助工程师验证在各种量子架构中的性能，了解量子态何时“去相干”成经典态并为构建甚至更大、更强大的量子计算机奠定基础。

https://www.livescience.com/technology/computing/quantum-computing-lie-detector-finally-proves-these-machines-tap-into-einsteins-spooky-action-at-a-distance-rather-than-just-faking-it