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Experimental demonstration of non-local magic in a superconducting quantum processor

本文展示了在超导量子处理器上对非局部魔性（non-local magic）的首次实验演示，通过两种独立的测量路径验证了其理论定义，通过一个无参数模型表征了主要的噪声源，并将其确立为衡量量子优势的一种新型硬件基准。

原作者： Halima Giovanna Ahmad, Gianluca Esposito, Viviana Stasino, Jovan Odavic, Carlo Cosenza, Alessandro Sarno, Pasquale Mastrovito, Michele Viscardi, Stefano Cusumano, Francesco Tafuri, Davide Massarotti

发布于 2026-07-01

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CC BY 4.0

原作者： Halima Giovanna Ahmad, Gianluca Esposito, Viviana Stasino, Jovan Odavic, Carlo Cosenza, Alessandro Sarno, Pasquale Mastrovito, Michele Viscardi, Stefano Cusumano, Francesco Tafuri, Davide Massarotti, Alioscia Hamma

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

大局观：量子计算中的“魔力”究竟是什么？

想象一下，你正试图制造一台比任何经典计算机（比如普通的笔记本电脑）都能更快解决问题的机器。为了实现这一目标，这台机器需要两种特殊的成分：

纠缠（Entanglement）： 一种“幽灵般的连接”，让两个粒子无论相隔多远，都表现得像一个整体。
魔力（Magic）： 一种特定的“怪异性”或复杂性，使得量子态变得难以预测。

你可以把纠缠想象成两位舞伴之间完美的同步舞蹈。他们动作一致，但如果你只观察其中一个舞伴，他本身并没有表现出任何特别之处。

你可以把魔力想象成为这场舞蹈添加的“香料”。没有香料，舞蹈虽然优美但可以被预测（经典计算机可以轻松模拟它）；有了香料，舞蹈就会变得混乱且无法被普通计算机复制。

问题所在：局部魔力 vs 非局部魔力

研究人员发现，“魔力”有两种不同的形态，这种区别至关重要：

局部魔力（Local Magic）： 这是你可以添加到单个舞伴身上的香料。它很容易被移除。如果你告诉那个舞伴停止跳那种怪异的舞步，那么“魔力”就会消失。
非局部魔力（Non-Local Magic）： 这是编织在舞伴之间“连接”里的香料。它是共享的。你无法通过仅仅让其中一个舞伴停止跳舞来移除它。即使你试图“清理”其中一个舞伴，那份怪异依然存在，因为它存在于两人之间的纽带之中。

论文的观点： 这是首次有人在真实的量子计算芯片上成功测量这种“非局部魔力”。

实验过程：魔力橡皮擦

团队使用了一个超导量子处理器（一种由微小电路组成的芯片，这些电路表现得像原子一样）。他们运行了两种不同的测试，以证明他们能够发现并测量这种非局部魔力。

测试 1：“最优橡皮擦”（寻宝游戏）
想象你有一个乱七八糟的房间（量子态），里面充满了垃圾（局部魔力）和一颗隐藏的、无法破坏的宝石（非局部魔力）。

研究人员尝试通过应用特定的“局部”动作（比如整理房间的一个角落）来清理房间。
他们找到了移除所有垃圾的最佳动作组合。
结果： 当他们清理完毕时，垃圾消失了，但宝石依然存在。这证明了某些魔力无法通过局部行为来消除；它是真正的非局部性的。

测试 2：“纯度镜子”（X光检测）
他们不再是进行清理，而是观察两个量子比特（舞伴）之间连接的“纯度”。

把这种连接想象成一面镜子。如果镜子非常清晰，说明舞伴处于一个简单的状态；如果镜子发生了扭曲，则意味着内部存在复杂的“魔力”。
通过测量连接有多“纯”或多“清晰”，他们可以从数学上精确计算出隐藏在其中的非局部魔力到底有多少，而无需先清理房间。

结论： 两种方法给出了相同的答案，并且都符合理论。他们成功找到了那颗无法被抹除的“宝石”。

这为什么重要：噪声侦探

真实的量子计算机是有噪声的。它们就像是在暴风雨中试图播放音乐的收音机；静电噪声（噪声）会干扰其中。

研究人员利用他们的实验充当了噪声侦探。他们意识到，不同类型的噪声对两种魔力的影响不同：

读取误差（静电噪声）： 当计算机尝试“读取”结果时，有时会出错。这就像是“局部魔力”——它增加了可以被清理掉的虚假怪异性。
去极化误差（风暴）： 一种作用于量子比特之间连接的特定错误，它表现得像“非局部魔力”。它会让核心连接保持完整，但会让清理局部混乱变得困难。

通过理解这一点，他们建立了一个不需要任何“猜测”（自由参数）的计算机误差模型。只要知道这两个噪声源，他们就能精确预测计算机的行为。

更大的意义（如论文所述）

论文声称，这一发现是基准测试（测试质量）量子计算机的一种新方法。

目前的测试仅检查“门”（开关）是否工作正常。
而这项新测试则检查计算机是否真的能产生并处理实现“量子优势”所需的“魔力”。

作者还提到，他们使用的测量工具未来可能在两个特定领域发挥作用：

黑洞： 使用“玩具模型”来解码来自黑洞的辐射（霍金辐射）。
更快的算法： 一种估计系统“纠缠”程度的新方法，其速度可能比现有方法呈指数级提升。

总结

研究人员证明了他们可以在真实的芯片上识别出量子怪异中“不可触及”的部分（非局部魔力）。他们表明，虽然你可以清理掉局部的混乱，但深层的、共享的怪异依然存在。这为他们提供了一个全新的、强大的工具，用来测试量子计算机的优劣，并修复它们的误差。

技术摘要：超导量子处理器中非局域魔力的实验演示

问题陈述
识别负责量子计算超越经典算法的物理资源仍然是量子信息科学的核心目标之一。虽然纠缠是实现通用容错量子计算的必要条件，但仅靠纠缠不足以保证量子优势。稳定器形式化（Stabilizer formalism）提供了一个框架，在该框架中，“魔力”（非稳定器资源）被识别为除 Clifford 操作之外所需的额外资源。然而，存在一个关键的区别：局部魔力（可通过局部操作注入但不会产生纠缠）与非局域魔力（源于纠缠与非稳定性的相互作用）之间存在本质不同。非局域魔力 ( $M_{NL}^2$ ) 被定义为无法通过局部幺正操作消除的非稳定器资源比例。尽管非局域魔力在包括魔力态蒸馏和 AdS/CFT 对易性在内的广泛领域具有理论重要性，但目前尚未在量子硬件上进行过实验测量。此外，现有的基准测试协议（如随机基准测试，Randomized Benchmarking）量化的是门保真度，但并未直接评估设备生成和操纵实现量子优势所需的特定资源（即魔力）的能力。

方法论
作者报告了首次在超导量子处理单元（sQPU）上对非局域魔力的实验演示，具体使用的是来自 Quantware 的 Contralto-D 设备。本研究采用了两种互补的协议来测量非局域魔力，这两者都基于稳定器 Rényi 熵（SRE），SRE 是通过随机 Clifford 测量（RCM）估算的纯态非稳定性的可计算度量。

状态依赖协议（最优局部消除）： 该方法将非局域魔力量化为在应用旨在消除所有可消除（局部）魔力的最优局部幺正操作 ( $U_A \otimes U_B$ ) 后剩余的 SRE。该协议涉及制备目标态，应用数值优化的单比特幺正操作以最小化 SRE，并测量剩余熵。
状态无关协议（子系统纯度）： 该方法依赖于一个理论推导，即对于两比特纯态，非局域魔力仅是还原密度矩阵（RDM）纯度的函数。通过直接测量子系统纯度，作者可以推断出非局域魔力，而无需了解特定状态或进行优化搜索。

实验工作流程包含三个阶段：

状态制备： 使用涉及 T 门和纠缠 CZ 门的特定量子电路，制备代表局部魔力（LM）、混合（局部 + 非局域）魔力（M）和非局域魔力（NLM）的目标态。
随机 Clifford 测量（RCM）： 对制备好的状态应用随机单比特 Clifford 幺正操作，随后在计算基下进行读取。来自这些测量的统计数据用于估计 SRE 和子系统纯度。
误差缓解与噪声建模： 使用独立的基准测试数据构建无参数噪声模型。使用从设备基准测试中导出的校准矩阵 ( $\Lambda$ ) 来缓解读取误差。理论预测根据去极化受控-Z（CZ）通道进行了调整，其中去极化强度由交织随机基准测试（IRB）保真度测量确定。在将实验数据拟合到理论时，没有使用任何自由参数。

主要贡献

首次实验测量： 本工作提供了首次在量子硬件上测量非局域魔力的实验，验证了无法通过局部操作提取的非稳定性的理论构想。
双路径验证： 研究表明，状态依赖（局部消除）和状态无关（子系统纯度）协议产生了一致的结果，相互证实了非局域魔力的测量。
硬件感知噪声表征： 通过利用对设备的直接访问，作者识别出读取误差和去极化 CZ 通道是主要的误差机制。他们证明了读取误差会注入伪造的局部魔力，而去极化 CZ 通道则表现为非局域行为，在保留非局域魔力结构的同时阻碍了局部消除。
局部魔力消除： 实验成功演示了使用优化的局部门在原位消除局部魔力，同时保留非局域成分，证实了非局域魔力作为一种有界资源的运算定义。

结果
实验针对三类两比特态进行了测试：

局部魔力（LM）态： 一个通过局部 T 门注入魔力的最大纠缠态。实验显示，应用特定的局部幺正操作（另一个 T 门）将稳定器熵从 $\sim 0.48$ 降低到 $\sim 0.1$ ，从而有效地消除了局部魔力。从子系统纯度推断出的非局域魔力接近于零 ( $0.0888 \pm 0.0004$ )，与理论一致。
混合（M）态： 一个同时包含局部和非局域魔力的状态。数值优化识别出了能减少总魔力的局部幺正操作，从而留下了残余的非局域成分。实验结果 ( $0.3 \pm 0.1$ ) 与理论预测 ($0.27 $) 以及子系统纯度推断 ($ 0.19 \pm 0.07$) 保持一致。
非局域魔力（NLM）态： 一个旨在仅具有非局域魔力的状态。测得的非局域魔力在参数扫描中与理论预期相匹配，证实了状态无关的纯度法能够准确捕捉非局域资源。

数据表明，虽然读取误差引入了伪造的局部魔力，但 CZ 门的去极化噪声是实现完美局部消除的主要障碍。无参数噪声模型成功预测了实验结果，验证了特定误差通道与它们所影响的魔力类型之间的对应关系。

意义
论文声称，非局域魔力可以作为一种超越标准门保真度协议的硬件基准。虽然目前的指标量化了 Clifford 和非 Clifford 门的保真度，但它们并未直接测量设备生成实现量子优势所需的特定资源（魔力）的能力。测量局部和非局域魔力提供了一种诊断工具，用于门校准，并作为衡量量子优势底层计算资源的基准。

此外，在原位消除局部魔力的能力被确定为以指数级速度估计子系统纯度的基本“清洗”原语。相同的算法内核也被指出与黑洞黑洞辐射解码的玩具模型相关。通过在真实设备上演示这些能力，这项工作为表征前容错设备建立了路径，并表明非局域魔力是实现真正的量子行为（包括贝尔不等式违背和全息对应）的核心资源。作者强调，尽管其结果在规模上较为有限（两比特演示），但在原理上是可扩展的，为理解纠缠、噪声与量子计算资源之间的相互作用提供了新的视角。

大局观：量子计算中的“魔力”究竟是什么？

问题所在：局部魔力 vs 非局部魔力

实验过程：魔力橡皮擦

这为什么重要：噪声侦探

更大的意义（如论文所述）

总结

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