高質(zhì)量、大規(guī)模糾纏的創(chuàng)建、控制和驗證，是研制強大量子計算機的核心基礎(chǔ)。糾纏是一種典型的量子現(xiàn)象，它使多個粒子的狀態(tài)內(nèi)在關(guān)聯(lián)，正是這種特性賦予了量子計算超越經(jīng)典機器的潛在指數(shù)級優(yōu)勢。發(fā)表在PRL的論文《Full Characterization of Genuine 17-qubit Entanglement on the Superconducting Processor》標志著這一領(lǐng)域的一個關(guān)鍵里程碑，它展示了在17個超導(dǎo)量子位之間成功實現(xiàn)并經(jīng)過嚴謹實驗驗證的真正多體糾纏。

量子態(tài)表征的巨大挑戰(zhàn)

隨著量子系統(tǒng)規(guī)模的擴大，描述其狀態(tài)的復(fù)雜度呈指數(shù)級增長。一個 N 量子位系統(tǒng)的希爾伯特空間維度為 2^N。對于一個相對“適中”的17量子位系統(tǒng)來說，其完整的密度矩陣 ρ 是一個21?×21?的矩陣，代表著超過 170 億個復(fù)數(shù)參數(shù)。量子態(tài)層析成像（QST）——即通過實驗重構(gòu)密度矩陣的過程——需要對這些參數(shù)進行準確測量，這在經(jīng)典方法中需要天文數(shù)字般的測量次數(shù)。面對超導(dǎo)處理器中固有的設(shè)備噪聲、不完美的態(tài)制備和測量誤差，使用傳統(tǒng)方法進行完整表征幾乎是一項不可能完成的任務(wù)。

可擴展的解決方案：純度正則化最小二乘估計

這篇論文的突破點不僅在于硬件的能力，更在于其分析方法上的創(chuàng)新。為了克服 QST 的指數(shù)級復(fù)雜性，研究人員引入了一種新穎的方法：通過狀態(tài)純度進行正則化的最小二乘（LS）態(tài)估計器。

標準的最小二乘法試圖找到一個密度矩陣 ρ~，使得理論預(yù)測的測量結(jié)果與實際實驗數(shù)據(jù)之間的差異最小化。然而，對于數(shù)據(jù)有限且有噪聲的大型系統(tǒng)，這可能會產(chǎn)生非物理或不準確的結(jié)果。純度正則化通過添加一個約束條件來解決這個問題，該約束引導(dǎo)估計的態(tài) ρ~ 趨向于目標態(tài)預(yù)期的純度。

• 純度引導(dǎo)：像目標17量子位格林伯格-霍恩-塞林格 (GHZ) 態(tài)這樣的高糾纏態(tài)在理想情況下是純態(tài)。通過納入一個懲罰偏離預(yù)期純度項，估計器有效地減輕了測量噪聲和偏差的影響，穩(wěn)定了狀態(tài)重建過程。
• 可擴展性：這種非迭代且計算效率高的方法，結(jié)合了像泡利稀疏性這樣的技術(shù)，使研究人員得以對17量子位系統(tǒng)進行完整量子態(tài)層析成像。這代表了當(dāng)時已報告的最大規(guī)模的完整量子態(tài)重建，突顯了該方法在分析中大型量子態(tài)方面的可擴展性。

實驗驗證與保真度成果

利用這種先進的層析成像技術(shù)，研究人員成功地表征了在超導(dǎo)量子處理器上制備的17量子位 GHZ 態(tài)。通過計算實驗生成的態(tài)與理想目標態(tài)之間的態(tài)保真度來量化其質(zhì)量。

• 對于使用純度正則化估計器重建的 17 量子位 GHZ 態(tài)，實驗測得的保真度為 0.6817(1)。
• 在純態(tài)假設(shè)下（這是分析 GHZ 態(tài)的常見做法），保真度達到了 0.7587(1)。

這些保真度值，特別是高于 0.5 的結(jié)果，具有至關(guān)重要的意義。

真正多體糾纏的認證

表征的最終目標是明確認證真正多體糾纏（GME）的存在。GME 是最強的糾纏形式，意味著量子態(tài)不能分離成任何較小的、獨立的量子位子集。

該論文通過成功證明糾纏判據(jù)被破壞來實現(xiàn)了這一認證。糾纏判據(jù) (W) 是一種可觀測值（可測量的屬性），對于所有可分離（非 GME）態(tài) σ，均滿足 Tr[Wσ]≥0，而對于糾纏態(tài) ρ，則滿足 Tr[Wρ]<0。研究人員定義并測量了適合 GHZ 態(tài)的糾纏判據(jù)WGHZ。

高保真度（顯著高于 GHZ 態(tài)的 GME 閾值 0.5）以及糾纏判據(jù)的破壞，明確認證了該超導(dǎo)處理器已成功在所有 17 個量子位上生成并維持了 GME。這一確認至關(guān)重要，因為 GME 是許多先進量子算法和協(xié)議（包括容錯量子計算和量子糾錯）所需的資源。

對量子計算的更廣泛影響

這項工作超越了單純的破紀錄實驗，它為實現(xiàn)容錯量子計算提供了關(guān)鍵的洞察：

• 量子硬件的基準測試： 能夠可靠地創(chuàng)建并完整表征如此大規(guī)模的糾纏態(tài)，是衡量底層量子硬件性能的重要基準。它證實了多量子位門的質(zhì)量、超導(dǎo)電路的穩(wěn)定性以及錯誤抑制技術(shù)的有效性。
• 誤差緩解的必要性： 對純度正則化估計器的依賴和所實現(xiàn)的保真度清楚地表明，即使對于最先進的處理器，誤差緩解技術(shù)也并非可選項——它們對于從有噪聲的量子系統(tǒng)中提取有意義、準確的信息，并利用其計算能力是必不可少的。
• 可擴展的驗證： 所提出的 QST 方法是未來研究的模板。隨著量子處理器擴展到數(shù)百個量子位，像這種純度正則化估計器這樣能在減少測量開銷的同時提供高精度的方法，對于驗證量子資源的質(zhì)量將是不可或缺的。

總而言之，這是一篇里程碑式的論文，它彌合了理論量子復(fù)雜性與實驗實現(xiàn)之間的鴻溝。通過同時展示大規(guī)模 GME 并提供一個可擴展、高保真度的表征工具，它鞏固了超導(dǎo)平臺在實現(xiàn)實用、通用量子計算的探索中的領(lǐng)先地位。