首次实现17量子位真正多体纠缠的完整表征

高质量、大规模纠缠的创建、控制和验证，是研制强大量子计算机的核心基础。纠缠是一种典型的量子现象，它使多个粒子的状态内在关联，正是这种特性赋予了量子计算超越经典机器的潜在指数级优势。发表在PRL的论文《Full Characterization of Genuine 17-qubit Entanglement on the Superconducting Processor》标志着这一领域的一个关键里程碑，它展示了在17个超导量子位之间成功实现并经过严谨实验验证的真正多体纠缠。

量子态表征的巨大挑战

随着量子系统规模的扩大，描述其状态的复杂度呈指数级增长。一个 N 量子位系统的希尔伯特空间维度为 2^N。对于一个相对“适中”的17量子位系统来说，其完整的密度矩阵 ρ 是一个2¹⁷×2¹⁷的矩阵，代表着超过 170 亿个复数参数。量子态层析成像（QST）——即通过实验重构密度矩阵的过程——需要对这些参数进行准确测量，这在经典方法中需要天文数字般的测量次数。面对超导处理器中固有的设备噪声、不完美的态制备和测量误差，使用传统方法进行完整表征几乎是一项不可能完成的任务。

可扩展的解决方案：纯度正则化最小二乘估计

这篇论文的突破点不仅在于硬件的能力，更在于其分析方法上的创新。为了克服 QST 的指数级复杂性，研究人员引入了一种新颖的方法：通过状态纯度进行正则化的最小二乘（LS）态估计器。

标准的最小二乘法试图找到一个密度矩阵 ρ~，使得理论预测的测量结果与实际实验数据之间的差异最小化。然而，对于数据有限且有噪声的大型系统，这可能会产生非物理或不准确的结果。纯度正则化通过添加一个约束条件来解决这个问题，该约束引导估计的态 ρ~ 趋向于目标态预期的纯度。

• 纯度引导：像目标17量子位格林伯格-霍恩-塞林格 (GHZ) 态这样的高纠缠态在理想情况下是纯态。通过纳入一个惩罚偏离预期纯度项，估计器有效地减轻了测量噪声和偏差的影响，稳定了状态重建过程。
• 可扩展性：这种非迭代且计算效率高的方法，结合了像泡利稀疏性这样的技术，使研究人员得以对17量子位系统进行完整量子态层析成像。这代表了当时已报告的最大规模的完整量子态重建，突显了该方法在分析中大型量子态方面的可扩展性。

实验验证与保真度成果

利用这种先进的层析成像技术，研究人员成功地表征了在超导量子处理器上制备的17量子位 GHZ 态。通过计算实验生成的态与理想目标态之间的态保真度来量化其质量。

• 对于使用纯度正则化估计器重建的 17 量子位 GHZ 态，实验测得的保真度为 0.6817(1)。
• 在纯态假设下（这是分析 GHZ 态的常见做法），保真度达到了 0.7587(1)。

这些保真度值，特别是高于 0.5 的结果，具有至关重要的意义。

真正多体纠缠的认证

表征的最终目标是明确认证真正多体纠缠（GME）的存在。GME 是最强的纠缠形式，意味着量子态不能分离成任何较小的、独立的量子位子集。

该论文通过成功证明纠缠判据被破坏来实现了这一认证。纠缠判据 (W) 是一种可观测值（可测量的属性），对于所有可分离（非 GME）态 σ，均满足 Tr[Wσ]≥0，而对于纠缠态 ρ，则满足 Tr[Wρ]<0。研究人员定义并测量了适合 GHZ 态的纠缠判据WGHZ。

高保真度（显著高于 GHZ 态的 GME 阈值 0.5）以及纠缠判据的破坏，明确认证了该超导处理器已成功在所有 17 个量子位上生成并维持了 GME。这一确认至关重要，因为 GME 是许多先进量子算法和协议（包括容错量子计算和量子纠错）所需的资源。

对量子计算的更广泛影响

这项工作超越了单纯的破纪录实验，它为实现容错量子计算提供了关键的洞察：

• 量子硬件的基准测试： 能够可靠地创建并完整表征如此大规模的纠缠态，是衡量底层量子硬件性能的重要基准。它证实了多量子位门的质量、超导电路的稳定性以及错误抑制技术的有效性。
• 误差缓解的必要性： 对纯度正则化估计器的依赖和所实现的保真度清楚地表明，即使对于最先进的处理器，误差缓解技术也并非可选项——它们对于从有噪声的量子系统中提取有意义、准确的信息，并利用其计算能力是必不可少的。
• 可扩展的验证： 所提出的 QST 方法是未来研究的模板。随着量子处理器扩展到数百个量子位，像这种纯度正则化估计器这样能在减少测量开销的同时提供高精度的方法，对于验证量子资源的质量将是不可或缺的。

总而言之，这是一篇里程碑式的论文，它弥合了理论量子复杂性与实验实现之间的鸿沟。通过同时展示大规模 GME 并提供一个可扩展、高保真度的表征工具，它巩固了超导平台在实现实用、通用量子计算的探索中的领先地位。