剑桥团队与IBM合作，量子处理器验证波函数实在性

剑桥大学杨硕清豪带领的团队最近干了件大事，他们在IBM的超导量子处理器上成功做了PBR测试，直接证明了波函数是真的物理实在，不是咱们用来计算的主观工具。

这事在物理圈和量子技术圈都炸了，毕竟量子力学诞生一百多年，波函数到底是啥，吵了这么久终于有了直接实验证据。

本来想简单说下这个争议，但后来发现不讲明白，后面实验的重要性就体现不出来。

量子力学里，关于波函数有两派核心说法。

一派觉得它是真的物理状态，粒子的叠加、纠缠这些现象都是自然界本来就有的，这叫本体论诠释；另一派则认为它只是个数学工具，背后还藏着咱们没发现的“隐藏变量”，这就是认识论诠释。

爱因斯坦他们1935年提的EPR佯谬，其实就是挺认识论的，觉得量子力学没把话说全，还有遗漏的信息。

后来1964年，物理学家贝尔搞出了个不等式实验，专门测空间分离的纠缠粒子关联性，想靠这个区分两派观点。

后面几十年的实验，从阿兰・阿斯佩的光子实验到安东・蔡林格的多粒子测试，结果都支持量子力学的非定域性，也排除了局部隐藏变量。

但问题是，这些实验还是没戳到根子上，波函数到底是不是实在的，还是没说清，就像你知道考试错了分，但不知道具体哪道题错了一样。

正是因为贝尔实验没解决这个核心问题，2012年的时候，马修・普西、乔纳森・巴雷特和特里・鲁道夫这三个人，才一起提出了PBR定理。

这个定理的逻辑其实挺直接：如果量子系统不存在超出波函数的隐藏影响，那任何跟量子力学预测一致的理论，都得承认波函数是实在的。

简单说，要是波函数只是个工具，那测量结果里相同情况出现的频率，会比量子力学预测的高；反过来测出来不是这样，就说明波函数是真的存在的。

PBR定理看着挺清晰，但想做成实验可太难了，关键问题出在现在的量子计算技术上，咱们还处在NISQ时代。

这个词是2018年加州理工学院一个叫约翰・普雷斯基尔的物理学家提的，全称是“含噪声的中等规模量子系统”，说的就是现在的量子设备现状：量子比特能做几十个上百个，但特别容易受干扰。

量子比特的“娇气”程度超出想象。

它们的相干时间通常就几十微秒，热涨落、电磁干扰，甚至材料本身的小缺陷，随便一个因素都能打乱量子态，这叫量子退相干。

而且对超导量子处理器来说，每一次量子门操作都会带误差，电路越复杂，误差就越积越多，最后数据根本没法用。

你想啊，PBR测试要的是精确的统计结果，噪声一搅和，真实的量子信号早被淹没了，之前没人做成也不奇怪。

既然噪声这么麻烦，杨硕清豪团队就专门针对这个问题想了辙。

他们选设备的时候没瞎选，挑了IBM的Heron超导处理器。

这款处理器确实有优势，用的是重六边形晶格结构，有156个可调耦合的量子比特，而且2024年改进之后，对两能级系统的噪声抑制做得特别好，量子门操作的准确度也提上去了。

实验设计上，团队也没上来就搞复杂的。

他们先在处理器上制备了特定量子态的量子比特对，还有五量子比特组，然后设计了分段式的测量流程，怕单次测量时间太长，量子态提前退相干。

最关键的是数据处理，他们专门搞了套统计分析模型，能把噪声造成的随机干扰给剥离开，这样才能从一堆乱数据里，把真实的量子效应信号找出来。

实验做完之后，结果比预想的更明确。

对2到5个量子比特的小规模系统来说，测量数据完全符合PBR定理的判据，根本没出现认识论诠释预测的那种统计特征。

这就等于直接证明了，在这些量子系统里，波函数是真的物理实在，不是咱们主观编出来的计算工具。

更有意思的是，团队还发现了一个没预料到的规律：量子比特在芯片上离得越远，PBR测试通过的概率就越低。

这个发现一开始挺意外的，但细想也合理，量子比特离得远了，相互之间的串扰会变多，相干性损失也更严重，量子态的实在性自然就受影响。

这个发现对以后量子处理器设计太有用了，以后摆量子比特的时候，肯定得好好算间距，控制好耦合强度。

如此看来，这个实验的价值可不止解决理论争议这么简单。

从基础物理的角度说，它第一次用实验直接证明了波函数的实在性，把之前物理学家们的哲学思辨，变成了实实在在的证据，这一下就把理论和实验的距离拉近了。

从技术角度看，它还给量子设备测试找了个新方向。

之前咱们测量子计算机好不好用，都是看量子体积、随机基准测试这些指标，只能大概知道设备整体性能怎么样，但没法直接测它是不是真的有“量子性”。

PBR测试不一样，它能直接探到根上，看设备是不是真的保持了量子叠加、纠缠这些本质特性。

在NISQ时代，这个太重要了，以后量子计算机要实现“量子优势”，得先确定这个优势是来自量子本身，不是因为系统复杂到经典计算机算不动。

当然，这个实验也不是没局限。

现在只能在5个量子比特以内的系统里做成功，一旦超过10个量子比特，误差就积得没法看了，测试结果也变得不确定。

这也说明，现在量子技术最大的挑战还是噪声，想搞更大规模的PBR测试，得先把噪声抑制技术再提一步，比如搞动态解耦、零噪声点调控，把量子比特的相干时间延长到毫秒级。

而且长期来看，还得发展量子纠错技术，像IBM之前的路线图说的，得把量子门误差率降到10的负6次方量级，才能搞成大规模的容错量子计算。

毫无疑问，杨硕清豪团队的这个实验，相当于在量子理论和量子技术之间搭了座桥。

它告诉咱们，再抽象的物理问题，也能靠前沿技术实验找到答案；而量子技术要往前发展，也得回头看看最基础的物理原理。

以后要是能在更大规模的量子系统上做PBR测试，不光能把量子力学的基础搞得更明白，还能让量子计算机、量子通信这些应用更靠谱。

这事儿看着是物理圈的专业事，但往远了想，对咱们未来的技术生活影响可不小。