Experimentell observation utan postselektionsbias av mätinducerad fasövergång i kretsar med universella grindar

Att se kvantinformation ändra sig

Moderna kvantdatorer lovar stora hopp i beräkningskraft, men de är extremt känsliga för mätningar och brus. Denna artikel undersöker en märklig sorts ”fasförändring” i hur kvantinformation sprids och sedan plötsligt kollapsar när man observerar den för ofta. Författarna beskriver inte bara denna övergång i teori utan visar också hur man kan observera den tydligt på dagens hårdvara, utan den heroisk datafiltrering som har hindrat tidigare experiment.

Två konkurrerande beteenden i kvantvärlden

När många qubits utvecklas tillsammans blir de typiskt starkt sammanflätade: information om en enskild qubit sprids över hela enheten. Men om du upprepade gånger mäter qubits medan de utvecklas tenderar dessa mätningar att kollapsa det kvantmekaniska tillståndet och radera sammanflätningen. Ny teori förutspår en dragningskamp mellan dessa två tendenser. Vid låga mätningsfrekvenser landar systemet i en ”sammanflätande fas”, där informationen är icke-lokalt utbredd. Över en viss gräns växlar det till en ”av-sammanflätande fas”, där mätningarna dominerar och systemets tillstånd blir i princip helt känt. Denna skarpa förändring i beteende kallas en mätinducerad fasövergång.

Varför postselektion var ett hinder

Att upptäcka denna övergång i laboratoriet har varit notorisk svårt. De mest direkta signaturerna involverar icke-linjära storheter som sammanflätningsentropi eller renhet, vilka beror på det fullständiga kvanttillståndet, inte bara på enkla medelvärden av mätresultat. För att uppskatta dessa egenskaper måste man vanligtvis ”postselektera” på körningar av experimentet som delar en specifik följd av mitt-i-krets-mätningsresultat. Eftersom dessa resultat är slumpmässiga växer antalet nödvändiga körningar exponentiellt med systemets storlek. Experiment har antingen accepterat denna kostsamma överliggning, hållit sig till mycket små system, eller begränsat sig till särskilda uppsättningar grindar som är lättare att simulera klassiskt.

Trädformade kretsar som en smart genväg

Författarna undviker denna flaskhals genom att ändra kretsens layout. I stället för att ordna qubits på en linje eller ett gitter använder de en trädstruktur: med utgångspunkt i en enda ”rot” qubit (initialt sammanflätad med en sond) adderar de upprepade gånger nya qubits och sammanflätar dem i ett förgrenande mönster. Efter varje sammanflätningssteg utförs milda, eller ”svaga”, mätningar på qubitsen. Styrkan i dessa mätningar kan ställas in kontinuerligt från mycket svag (nästan utan störning) till effektivt projektiv (stark, fullständig kollaps). Avgörande är att trädets rekursiva struktur låter dem bearbeta alla registrerade mätresultat med en klassisk algoritm vars kostnad ökar endast linjärt med antalet qubits, i stället för exponentiellt.

Följa en enskild qubit genom skogen

I stället för att rekonstruera det fulla många-qubit-tillståndet följer författarna hur mycket osäkerhet som återstår kring en speciell qubit som inledningsvis är sammanflätad med resten. I trädmodellen kan detta uttryckas som hur väl man kan förutsäga rotqubitens initialtillstånd endast utifrån registret av alla svaga mätningar inne i kretsen. Om förutsägelsen förblir ofullständig även för mycket djupa träd befinner sig systemet i den sammanflätande fasen. Om rotens tillstånd i praktiken kan rekonstrueras bortom en viss mätstyrka har systemet gått in i den av-sammanflätande, eller ”renade”, fasen. Gruppen definierar en enkel numerisk mängd som fångar denna förutsägbarhet och visar att den beter sig precis som en standard ordningsparameter i mer bekanta fasövergångar, och går från icke-noll till i praktiken noll vid en kritisk mätstyrka.

Från teori till en fungerande kvantenhet

Forskarna implementerar sitt träd-krets-protokoll på Quantinuums H1-1 fångade-jon-kvantdator, med upp till fyra nivåer i trädet. De väljer generiska, slumpmässigt dragna enkel-qubit-grindar—så dynamiken är inte konstlat förenklad—och svaga mätningar realiserade med maskinens inbyggda växelverkan. Med ett måttligt antal slumpmässiga kretsar och upprepade skott uppskattar de ordningsparametern för olika trädjup och mätstyrkor. Deras data följer noggrant detaljerade teoretiska förutsägelser och storskaliga klassiska simuleringar, allt utan någon felmildring, vilket visar att övergången kan urskiljas tydligt i dagens brusiga enheter.

Vad detta betyder för framtida kvantteknik

För en icke-specialist är huvudbudskapet att det finns två skilda regimer för hur information beter sig i övervakade kvantsystem: en där den förblir utbredd och svåråtkomlig, och en annan där kontinuerlig mätning gör den skarp och lokal. Detta arbete visar att gränsen mellan dessa regimer—den mätinducerade fasövergången—kan observeras experimentellt utan överdriven datafiltrering eller begränsade grinduppsättningar, förutsatt att man använder en trädlik kretsarkitektur och rätt avkodningsstrategi. Det gör träd-baserade modeller till kraftfulla testbäddar för att förstå hur mätning, brus och informationsflöde kommer att forma prestanda och design för morgondagens kvantteknologier.

Citering: Feng, X., Côté, J., Kourtis, S. et al. Postselection-free experimental observation of the measurement-induced phase transition in circuits with universal gates. Commun Phys 9, 110 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-025-02443-0

Nyckelord: mätinducerad fasövergång, kvantkretsar, sammankoppling, fångade-jon-kvantdator, kvantfelsrättning