一场游戏用最多55个量子比特检验量子行为

怎样验证处理器确实利用了经典策略无法重现的量子性质？9月5日发表于《自然·通讯》的一项研究提出了一种游戏式检验。Quantinuum公司的Marcello Benedetti和Harry Buhrman所在团队设计了一套规则，使经典策略的极限可以通过数学证明，再将这一极限与真实处理器的实验结果比较。

游戏从一组长度相同的二进制串开始，每个串都由0和1组成。裁判把所有可能的串分成大小相等的两组，并对分组方式保密。玩家只得到一份由第一组制备的量子态，任务是返回一个属于第二组的串。在研究所考虑的经典策略中，玩家立即测量收到的量子态，只能得知第一组中的一个串。这条信息可以排除已经知道的串，却无法消除对其他串归属的巨大不确定性：随着串变长，经典策略的最佳成功率趋近于一半。

量子玩家可以在测量之前进行操作。收到的量子态把第一组中的各种可能性组合成叠加态：这些可能性共同参与系统的物理演化，但最终测量只会给出一个答案。一个电路重新安排振幅，也就是决定测量概率的量，使这些可能性转移到互补的另一组。在没有误差的理想模型中，答案便总是属于第二组。研究人员选择了具有特定数学结构的分组方式，从而能高效地制备量子态并验证答案。

团队在H2处理器上运行了该协议。H2用被囚禁的离子储存量子信息，实验最多使用了55个量子比特，即量子信息的基本单位。最大规模的配置处理的是37位二进制串。为了评估设备，研究人员把执行游戏的轮次与检查量子态制备的轮次结合起来。规模更大的配置受到更多误差影响，综合得分有所下降，但在所报告的测试中仍高于经典上限。

论文强调的指数增长，是调整后得分之间的一个比值：量子得分超出参照值的部分，与经典策略最多能超出同一参照值的部分相比较。这不意味着成功率呈指数增长，也不意味着H2运行某个程序的速度提高了指数倍。研究的贡献是在明确限制信息获取方式的规则下，提供一种能够核验、区分两类行为的方法。

因此，这项研究展示了如何依据一个已经证明的经典上限来检验量子处理器，而无需依赖关于某些问题求解难度的猜想。研究人员提出的下一步，是让物理上分离的设备通过真实量子通道进行游戏。在本次实验中，裁判与玩家的角色都在同一个处理器内部实现。