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新的极限！超导量子电路，首次反驳了爱因斯坦 | Nature速递
光子盒研究院出品
有史以来第一次，相距30米的超导电路通过了贝尔测试、证明量子力学违反“局部因果关系”，这是物理学中确认系统量子行为的首次测试——这个测试以全新精度，证明了它们的量子比特是真正的纠缠。
在为量子计算探索的许多物理平台中，超导量子比特处理器在过去十年中因其比特数量和系统性能的增加而脱颖而出。如今，研究人员已经建立了具有多达几百个量子比特的超导量子计算机，并利用超导量子比特运行了一些量子算法（包括对物理系统进行建模和纠正量子错误），这为有用的量子计算铺平了道路。
然而，这些量子比特以存储在电路元件中的微小能量来编码量子信息，这些电路元件也必须被冷却到毫开尔文的温度，在这些处理器之间传输量子信息是极具挑战性的。
5月10日，苏黎世联邦理工学院固体物理学教授Andreas Wallraff团队在《自然》杂志上撰文，报告了一个超导量子比特装置，它可以在30米的距离上以高保真度运行。
他们的方法涉及一种被称为纠缠的量子特性，这是传输量子信息的可能策略中的一个关键成分。作者还展示了快速读出量子比特的状态，使他们能够展示一个被称为“无漏洞 (Loophole-free Bell)”贝尔实验的实验壮举——这是首次使用超导量子比特的成功尝试。
量子理论的构想是为了调和与经典电磁理论不一致的观察结果，但当该理论的逻辑后果与他们的物理直觉发生冲突时，它的创始人遇到了一些绊脚石。阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森在1935年的一篇著名论文中提出的一个主要问题是，量子理论是不完整的、需要用隐藏的变量来增加，以捕捉真实的物理情况。
他们的反对意见的基础如下：
- 根据量子理论，一对量子物体可以被描述为一个单一的单位，对每个物体的测量都会返回相关的结果，即使这两个物体在物理上相距甚远——这样后来被称为纠缠。
- 然而，在一个可接受的理论中，每个物体都应该是完全可单独描述的，而且没有任何通信或其他物理影响应该比光速更快——“局域性(locality)”原则。
由于量子理论没有为每个纠缠在一起的物体提供独立的描述，爱因斯坦和同事们得出结论：该理论是不完整的。
尽管负责发展量子力学的物理学家发现该理论令人深感不安，但纠缠的这一属性现在被视为量子技术的重要性质，广泛用于量子计算等技术。
近三十年后，纠缠的发展过程中出现了一个关键点。
1964年，约翰·贝尔发现，在爱因斯坦及其同事所设想的局部隐变量理论中，对远处量子系统的测量结果的关联程度存在限制。贝尔在贝尔不等式的数学表达中抓住了这个极限，并且还观察到量子力学的预测可以违反这个极限。这意味着，任何增量都不可能使量子理论与局部隐变量理论相一致，因为在有些情况下，这两种理论会预测出不同的结果。
下一步自然是在实验中探测这些情况。
为了测试贝尔不等式，人们将一对纠缠在一起的物体分布在两个遥远的测量站之间，这两个测量站通常被称为Alice和Bob，他们各自选择两种测量设置中的一种、并记录两种可能的结果之一。在多次重复这一过程后，Alice和Bob结合他们的数据，确定在每一对可能的设置选择下测量每一对结果的概率。这些概率就是贝尔不等式的项目，导致违反不等式的数据不能被任何局部隐变量理论所描述——量子力学做出了违反不等式的预言。
第一批贝尔实验是在20世纪70年代进行的，大多数实验发现的结果都违反了局部隐变量理论的预测、而与量子力学一致。
20世纪70年代初，去年获得诺贝尔物理学奖的John Francis Clauser和Stuart Freedman进行了首次实用的贝尔试验。在他们的实验中，这两位研究人员能够证明贝尔不等式确实被违反了；但他们必须在实验中做出某些假设，才能在第一时间进行实验。因此，从理论上讲，爱因斯坦对量子力学持怀疑态度可能仍然是正确的。
这在当时是非常令人惊讶的，研究人员开始寻找实验错误或对结果的替代解释。
将贝尔的思想实验映射到实验室实验中，必然涉及到一些假设，每一个假设都打开了一个漏洞(loophole)，局部隐变量理论可以借此解释观察到的结果。例如，使用纠缠光子的实验往往只检测到一小部分产生的光子；研究人员可以援引一个公平抽样的假设：假设检测到的子集代表整个集合。然而，写一个局部隐变量理论是可能的，它可以利用这个公平抽样的漏洞来实现对不等式的违反。
同样，一个包括隐身通信(hidden communication)的局部隐性变量模型可以解释相关的测量结果。例如，利用定域性漏洞(locality loophole)。
应该注意的是，通信速度不应超过光速，实验者可以通过仔细调整Alice和Bob的设置选择和测量活动的物理距离和时间，来限制这种漏洞可能利用的、任何假设的通信。
自2015年以来，在基于金刚石的缺陷、光学光子和捕获原子系统中，科学家们已经报道了同时解决所有主要漏洞的实验。此次，Storz等人报告了第一个在超导量子平台上的此类实验。
在任何平台上建立一个“无漏洞”的贝尔实验都具有挑战性，因为关闭每个漏洞的要求往往是相互矛盾的。解决定域性漏洞需要一个具有大面积和快速、精确计时的实验；关闭公平采样假设(fair-sampling assumption)通常要求一个较小的实验，以便使得分发纠缠而传输的任何信息都不容易丢失；而获得足够的统计数据要求数据产生的速度大大超过损失和环境波动对实验系统的扰动。
两个关键的技术发展使得Storz及其同事的贝尔实验得以成功：
- 通过实现约50纳秒的单量子比特读出，比定义多量子比特最先进系统的几百纳秒快得多；因此，ETH的研究人员已经确定，进行成功的无漏洞贝尔测试的最短距离是33米左右，因为一个光粒子在真空中需要大约110纳秒的时间才能完成这个距离。
- 然后，他们开发了这种尺寸的低损耗低温波导，并将其与量子比特集成，以达到高保真的连接系统。
团队在ETH校园的地下通道中建造了这个令人印象深刻的设施。在它的两端分别是一个含有超导电路的低温装置。这两个冷却装置由一个30米长的管子连接，其内部被冷却到略高于绝对零度（-273.15℃）的温度。
在每次测量开始之前，一个微波光子从两个超导电路中的一个传输到另一个，这样两个电路就会发生纠缠。然后，随机数发生器决定在这两个电路上进行哪些测量，作为贝尔测试的一部分。接下来，再针对两边的测量结果进行比较。
在评估了超过一百万次的测量之后，研究人员以非常高的统计确定性表明，贝尔不等式在这个实验装置中被违反了。换句话说，他们已经证实，量子力学也允许在宏观电路中存在非局域关联，因此，超导电路可以在大范围内纠缠。
具体来说，由于量子比特的性能，研究人员可以在短短20分钟内进行超过一百万次单独试验；由此产生的相关性最终超过了贝尔方程设定的极限，达到了惊人的22个标准差——该结果的P值低于10-108。
这个贝尔实验创造了两个纠缠的超导量子比特之间最长的分离记录，并且因为其物理尺寸和精度而令人印象深刻。尽管这里展示的50纳秒的读数不能轻易应用于多量子比特量子计算机，但它将这种量子比特技术推向了新的极限。同样，尽管超导波导方法不能扩展到任意距离，但它代表了一条在超导量子比特芯片之间进行量子信息传输的道路——这是大规模量子计算机中需要的技术。
随着这一基础性量子里程碑的实现，以及使之成为可能的技术进步，Storz等人扩大了超导量子比特可能性，为分布式量子计算和量子密码学领域提供了有趣的可能应用。
限制该系统性能的两个主要因素是量子比特的错误和用于纠缠它们的光子损失。研究人员认为他们可以通过改善这两点，使量子比特成为贝尔不等式的最严格的测试。
但这项工作可能会因为它如何纠缠量子比特而变得更加重要。
每个从事超导量子比特工作的人都说，我们最终将需要把成千上万的量子比特整合到一台量子计算机中。不幸的是，这些量子比特中的每一个都需要在芯片上有相当大的空间，这意味着制造有几百个以上的量子比特的芯片变得很困难。因此，像谷歌、IBM这样的大公司最终计划将多个芯片连接成一台计算机（初创公司Rigetti已经在做这件事）。
然而，对于数以万计的量子比特，我们几乎肯定会需要如此多的芯片，以至于很难将它们都放在一个单一的冷却硬件中。这意味着我们最终会希望将芯片连接到不同的制冷系统中——这正是这里所演示的。因此，这是一个重要的证明，我们事实上可以在这些系统中连接量子比特。
参考链接：[1]https://www.nature.com/articles/d41586-023-01488-x[2]https://www.newscientist.com/article/2372828-superconducting-qubits-have-passed-a-key-quantum-test/[3]https://arstechnica.com/science/2023/05/qubits-used-to-confirm-that-the-universe-doesnt-keep-reality-local/[4]https://phys.org/news/2023-05-entangled-quantum-circuits-einstein-concept.html[5]https://www.nature.com/articles/s41586-023-05885-0
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