摘要：在量子计算竞赛日益激烈的今天，一个根本问题始终困扰着科学界：我们如何确定那些宣称具有强大计算能力的量子系统真的在利用量子力学，而不是仅仅在模拟量子行为？来自莱顿大学、清华大学和浙江大学的国际研究团队刚刚给出了答案——他们成功构建了一个"量子测谎仪"，并在73个

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251007081840.htm

在量子计算竞赛日益激烈的今天，一个根本问题始终困扰着科学界：我们如何确定那些宣称具有强大计算能力的量子系统真的在利用量子力学，而不是仅仅在模拟量子行为？来自莱顿大学、清华大学和浙江大学的国际研究团队刚刚给出了答案——他们成功构建了一个"量子测谎仪"，并在73个量子比特的大规模系统中验证了真正的量子相关性。

这项发表的研究标志着量子物理学验证领域的重要突破。研究人员利用著名的贝尔测试，在迄今为止最大规模的量子系统中证实了量子非定域性的存在，这一发现不仅解决了量子计算真实性的根本疑问，更为未来量子技术的发展奠定了坚实基础。

贝尔测试：量子世界的终极检验

贝尔测试源于20世纪60年代物理学家约翰·贝尔提出的理论框架，被认为是验证量子力学核心预言的最严格方法。这项测试的本质在于检验量子系统是否真正展现出无法用经典物理学解释的相关性。

量子非定域性是量子力学最反直觉的特性之一。当两个或多个粒子发生量子纠缠时，无论它们相距多远，对其中一个粒子的测量都会瞬间影响另一个粒子的状态。这种"鬼魅般的超距作用"正是爱因斯坦曾经质疑的现象，但现在已被实验反复证实，并成为2022年诺贝尔物理学奖的研究主题。

然而，在小规模量子系统中验证贝尔相关性是一回事，在包含数十个量子比特的复杂系统中进行验证则完全是另一回事。随着量子比特数量的增加，系统的复杂性呈指数级增长，传统的验证方法变得不切实际。

研究团队面临的挑战是如何在不破坏量子态的情况下，有效测量大型量子系统中的非定域相关性。他们采用了一种创新的方法：不是直接测量复杂的贝尔相关性，而是专注于量子系统的基态能量测量。

能量最小化：巧妙的验证策略

科学家们终于证明，大型量子系统确实遵循了量子力学的奇异规则。图片来源：Shutterstock

研究团队的策略基于一个重要洞察：如果一个量子系统真正处于量子叠加态并展现贝尔相关性，那么它应该能够达到经典系统无法企及的低能态。这种方法的优势在于，现有的量子计算机已经非常擅长寻找系统的最低能量状态。

在实验中，研究人员使用超导量子处理器创建了包含73个量子比特的特殊量子态。通过精确测量这些态的能量，他们发现系统达到的能量水平比任何经典系统都要低得多。测量结果显示的差异达到48个标准差，这意味着这种现象由偶然因素造成的概率几乎为零。

更令人印象深刻的是，研究团队进一步验证了一种更为苛刻的量子相关性——真正的多方贝尔相关性。在这种相关性中，系统中的所有量子比特都必须参与到量子纠缠中，这使得其生成和验证都更加困难。研究人员成功在多达24个量子比特的系统中证实了这种特殊的相关性。

量子计算真实性的里程碑

这项研究的意义远超理论验证。在量子计算快速发展的当下，确保量子系统真正利用量子效应而非仅仅模拟量子行为，对于整个行业的发展至关重要。近年来，多家科技巨头和初创公司都宣布了令人瞩目的量子计算突破，但如何验证这些系统的量子性一直是个难题。

莱顿大学的理论物理学家乔迪·图拉表示，这项研究证明了在大型复杂系统中证明深度量子行为是可能的，这在如此大规模上是前所未有的成就。这一结果表明，量子计算机不仅在规模上不断扩大，在展现和证明真正量子行为方面也越来越成熟。

当前的量子计算领域正处于从科研原型向实用系统转变的关键阶段。IBM、谷歌、中科院等机构的量子处理器已经达到了数百个量子比特的规模，但如何确保这些系统真正发挥量子优势仍然是个挑战。这项研究提供的验证框架为评估大规模量子系统的真实性提供了重要工具。

技术应用前景广阔

贝尔相关性的验证不仅具有基础科学意义，更有着广阔的应用前景。在量子通信领域，贝尔相关性是量子密钥分发协议安全性的基础。通过验证通信系统中的贝尔相关性，可以确保量子加密的安全性不会被经典攻击手段破解。

在量子算法开发方面，理解和控制贝尔相关性有助于设计更高效的量子算法。许多量子算法的优势正是来源于对量子相关性的巧妙利用，而这项研究提供的验证方法可以帮助开发者确保算法真正发挥了量子优势。

此外，这项研究还为量子错误纠正和容错量子计算奠定了基础。在大规模量子系统中，量子态容易受到环境干扰而发生退相干，导致量子相关性的丢失。通过持续监测贝尔相关性，可以实时评估系统的量子性并及时进行纠正。

研究团队来自清华大学的合作者指出，这种验证方法的一个重要优势是其可扩展性。随着量子系统规模的进一步扩大，传统的验证方法很快就会变得不切实际，而基于能量最小化的方法则可以相对容易地扩展到更大的系统。

未来发展方向

尽管这项研究取得了重要突破，但量子系统验证领域仍面临诸多挑战。首先是验证效率问题。随着量子比特数量的增加，验证所需的时间和资源也会相应增长，如何在保证准确性的同时提高验证效率是一个重要课题。

其次是验证方法的标准化。目前不同的研究团队采用不同的验证策略，缺乏统一的标准和协议。建立行业认可的量子系统验证标准对于推动量子计算产业化发展至关重要。

从技术角度看，未来的研究重点将集中在开发更加高效的验证算法，以及探索在噪声环境下的贝尔相关性验证方法。现实中的量子系统不可避免地会受到环境噪声的影响，如何在这种条件下准确验证量子性是一个重要挑战。

这项研究还为量子技术的商业化应用提供了重要参考。随着量子计算、量子通信等技术逐渐走向实用化，用户和监管机构都需要可靠的方法来验证这些系统的真实性能。"量子测谎仪"的成功开发为解决这一需求提供了有力工具。

从更广阔的视角来看，这项研究代表了人类对量子世界理解的又一次深化。通过在越来越大的系统中验证量子效应，我们正在逐步揭示宏观世界与微观量子世界之间的边界，这对于理解自然界的根本规律具有重要意义。

来源：人工智能学家