在具有通用门的电路中无事后选择地观测测量诱导相变的实验

观察量子信息如何改变主意

现代量子计算机承诺带来巨大的计算能力飞跃，但它们对测量和噪声极为敏感。本文探讨了一种奇特的“相变”：当你过于频繁地观测时，量子信息的扩散会突然塌缩。作者不仅在理论上描述了这一转变，还展示了如何在当今硬件上干净地观测到它，而无需以往实验中常见的那种昂贵的数据筛选。

量子世界中的两种竞争行为

当许多量子比特共同演化时，它们通常会变得高度纠缠：任何一个量子比特的信息都会被摊开到整个器件中。但如果在演化过程中反复测量量子比特，这些测量会使量子态塌缩并抹去纠缠。近期理论预测了这两种趋势之间的拉锯战：在低测量率下，系统最终处于“纠缠相”，信息以非局域方式扩散；超过某一阈值时，系统会翻转到“去纠缠相”，测量占主导，系统态变得几乎完全已知。这样的行为骤变被称为测量诱导相变。

为什么事后选择是阻碍

在实验室中探测这种相变一直很困难。最直接的特征涉及非线性量，如纠缠熵或纯度，它们取决于完整的量子态，而不仅仅是测量结果的简单平均。要估计这些性质，通常必须对实验中间测量结果为特定字符串的实验次序进行“事后选择”。由于这些结果是随机的，所需的重复次数会随系统规模呈指数增长。为此，实验要么接受这一昂贵开销，要么局限于非常小的系统，或仅使用那些在经典计算机上更易模拟的特殊门集。

树形电路作为巧妙捷径

作者通过改变量子电路的布局，规避了这一瓶颈。与将量子比特排列在线或网格上不同，他们采用树状结构：从单个“根”量子比特（最初与探针纠缠）出发，反复添加新鲜量子比特并以分支模式使之纠缠。在每次纠缠步骤之后，他们对这些量子比特执行温和的“弱”测量。测量强度可以从非常弱（几乎不扰动态）连续调节到近似投影测量（强、完全塌缩）。关键在于，树的递归结构使他们能够用一个古典算法处理所有记录的测量结果，其成本仅随量子比特数线性增长，而非指数增长。

沿着森林追踪单个量子比特

作者不是重建整体现多比特态，而是跟踪关于一个起初与其余部分纠缠的特殊量子比特还剩多少不确定性。在树状图中，这可以表述为：仅根据电路中所有弱测量的记录，可以多好地预测根量子比特的初始态。如果即使在很深的树中预测仍不完美，系统就处在纠缠相；如果在超过某一测量强度后，根态可以基本被重建，系统则进入去纠缠或“净化”相。团队定义了一个简单的数值量来捕捉这种可预测性，并表明它的行为类似于更熟悉相变中的标准序参量：在临界测量强度处从非零变为近似零。

从理论到可运行的量子设备

研究者在Quantinuum的H1-1囚禁离子量子计算机上实现了他们的树电路协议，使用了最多四层的树。他们选择通用的随机单比特门——因此动力学并未被人为简化——并用机器的本征相互作用实现弱测量。通过适量数量的随机电路和重复测量，他们估计了不同树深度和测量强度下的序参量。数据与详尽的理论预测和大规模经典模拟高度一致，且未使用任何错误缓解，展示了在当下有噪声的设备上也能清晰解析出该相变。

对未来量子技术的意义

对非专业读者来说，关键信息是：在被监测的量子系统中，信息行为存在两种截然不同的机制——一种信息保持扩散且难以获取，另一种则因持续测量变得清晰且局域化。这项工作表明，只要采用树状电路结构和合适的解码策略，测量诱导相变的边界就可以在实验中观测到，而无需过度的数据筛选或受限的门集。这使得基于树的模型成为研究测量、噪声与信息流将如何影响未来量子技术性能与设计的有力试验床。

引用: 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

关键词: 测量诱导相变, 量子电路, 纠缠, 囚禁离子量子计算机, 量子差错纠正