在受限测量下检测多量子比特器件中的真正多体纠缠

为什么量子连接很重要

现代量子器件现在可以同时操控数十个微小的量子比特（qubit），为强大的新型计算机、传感器和通信网络打开了大门。但要信任这些机器，科学家不仅要检验单个量子比特是否工作，还必须确认它们以一种称为真正多体纠缠的特殊方式深度互联。本文提出了一种实用方法，可以在大型器件中验证这种深层量子连接，即便实验只能对少量量子比特一次进行简单的局部测量。

多粒子，共享一个量子态

纠缠是著名的量子关联，使得粒子无论相距多远都能表现为一个整体。当涉及超过两个粒子时，情况更加丰富且复杂。有些多量子比特态可以由独立的纠缠对或小团体构建；另一些则展现出更强、更真正的全局相关性。后者被称为具有真正的多体纠缠：它们不能被解释为“只是成对纠缠加噪声”的混合态。这类态是量子通信网络、保护脆弱量子信息的纠错码以及通过一系列简单测量运行算法的测量型量子计算机等的重要组成部分。

检查大型量子系统的挑战

原则上，可以通过做大量不同的测量完全重构量子态，这个过程称为层析。但随着量子比特数量的增加，所需测量次数呈爆炸式增长，使得该方法对大型器件不可行。现有检测多体纠缠的捷径通常需要对许多量子比特同时进行联合测量。这对只能与链或格子中相邻量子比特相互作用的平台构成严重障碍，或者对那些随着同时测量的量子比特增多而测量噪声快速增加的平台也是如此——例如超导电路中的微波光子。因此，作者提出问题：是否可以仅使用对小型局部量子比特群的简单测量，就可靠地证明强烈的多体纠缠？

用少量测量探测量子网络的新方法

该工作聚焦于一类重要的态，称为图态，其中每个量子比特是一个顶点，纠缠操作沿图的连边进行。这包括用于测量型量子计算的簇态，以及用于先进通信和纠错方案的环状或树状结构。针对这类态，作者设计了一种由所谓稳定子构成的纠缠检测方法，稳定子是对理想目标态保持不变的数学量。他们的关键见解是只选择这些稳定子中的一小部分——与单个顶点及其相连边有关的那些——并将它们的测量值以精心加权的和进行组合。令人惊讶的是，他们在解析上证明，对于任意将量子比特分成若干组的划分，如果态不具有真正的多体纠缠，这个加权和都有上界。当实验测得的加权和突破该界限时，该态必定包含强烈的多体纠缠，且违例的程度还能提供关于该态不能被分为多少组的信息。

在有限实验访问下充分利用资源

关键在于，该测试所用的稳定子只涉及恒定数量的相邻量子比特，而不是随器件规模增长而增加。这使得该方法非常适合仅能实施低权重局部测量的平台。作者进一步表明，通过使用称为半定规划的数学优化工具，可以从已测量的稳定子中推断出未测量稳定子的有用下界，从而在无需额外实验工作的情况下收紧检测标准。他们将这些准则应用于在超导电路中生成的现实微波光子图态的模拟，发现该方法能够在以往低复杂度方法失败的情况下检测到真正的多体纠缠。所认证的多体纠缠程度还与态接近理想目标态的程度相对应，使该测试成为一种实用的性能基准。

这对未来量子机器的意义

对非专业读者而言，结论是作者开发了一种可扩展的“压力测试”，用于评估新兴多量子比特器件内部的量子连接。与需要快速变得难以管理的详细全局测量不同，他们的方法仅读取一组适度的局部模式，仍能判定器件是否产生了先进应用所依赖的强大多体量子相关性。这为实验团队提供了一种现实的方式来认证和比较复杂的量子资源，帮助指导更大、更可靠的量子处理器、传感器和网络的发展。

引用: Li, N.K.H., Dai, X., Muñoz-Arias, M.H. et al. Detecting genuine multipartite entanglement in multi-qubit devices with restricted measurements. Nat Commun 17, 1707 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69320-4

关键词: 多体纠缠, 图态, 量子基准测试, 超导电路, 纠缠检测