《SCIENCE ADVANCES》：Experimental quantum state certification by actively sampling photonic entangled states
编辑推荐：
本研究针对量子技术中纠缠态验证消耗全部态、且需假设其独立同分布的技术瓶颈，提出了量子态认证（QSC）的创新方案。研究人员利用主动光学开关，从光子贝尔态和GHZ态源中随机采样部分态进行测量，首次在实验上实现了在无需破坏整个态集合的同时，为剩余态提供统计可靠且近乎N-1标度的高效保真度认证，为大规模量子计算与通信的基准测试提供了实用工具。
在量子技术的宏伟蓝图中，纠缠态是完成量子计算、安全通信等革命性任务的核心资源。然而，一个根本性的难题横亘在前：在使用这些脆弱的量子态之前，如何有效地确认它们确实是我们期望的理想状态？传统的量子态层析等技术虽然能完全表征一个态，但需要消耗指数级增长的测量资源，且必须测量制备的每一个态副本，这就意味着验证过程本身会耗尽所有资源，无法再将已验证的态用于后续任务。此外，这些方法通常依赖于“独立同分布”的强假设，即每次产生的态都完全一样，这在实际实验中往往难以严格满足。于是，寻找一种能“省着用”、高效率且能在实际条件下工作的态验证方法，成为推动量子技术走向实用化的关键一步。
在此背景下，一项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究取得了重要突破。研究团队实验性地实现了一种名为“量子态认证”（QSC）的新协议。该协议的核心思想颇为巧妙：并非测量全部N个态，而是像抽样质检一样，随机抽取其中一小部分（μN个）送到“验证者”处进行测量分析；剩余的大部分态（(1-μ)N个）则交付给“用户”用于实际量子任务。验证者通过一种基于非局域游戏的量子态验证（QSV）方法，仅凭对样本的测量结果，就能以统计置信度的形式，向用户出具一个“证书”，保证用户手中那些未被测量的态，其平均保真度有很高概率不低于某个阈值。这种方法不仅节省了宝贵的量子资源，还放松了对态“完全相同”的假设，仅需它们独立产生即可，更贴近实际实验条件。尤为重要的是，该协议在理论上可以达到接近最优的N-1标度，且可以以设备无关（DI）的方式实现，即无需信任测量设备本身。
为了完成这项研究，团队运用了几项关键实验技术。首先，他们利用自发参量下转换（SPDC）技术分别制备了两光子的贝尔态和三光子的GHZ（Greenberger-Horne-Zeilinger）态作为测试对象。其次，为实现对多光子态的随机、高效采样，他们摒弃了会引入指数级损耗的被动分束器方案，创新性地采用了多个同步工作的主动光学开关（OS）。这些开关以远高于光子产生率的频率周期性切换，将每个完整的多光子态随机路由至用户或验证者端，实现了接近100%的同步效率，为后续认证奠定了基础。最后，验证者端采用了基于CHSH不等式（对贝尔态）和Mermin不等式（对GHZ态）构建的非局域游戏进行测量，其测量基的选择通过量子随机数发生器（QRNG）或被动分束来实现，以评估样本态的获胜概率。
研究结果
设备无关量子态认证
该研究的核心是基于自检验理论。例如，对于三光子GHZ态，可通过违反Mermin不等式来推断其与目标态的接近程度。QSV将这种不等式转化为一个非局域游戏：验证者随机选择一种测量设置对样本态进行测量，记录“获胜”结果的数量。只有当物理态非常接近目标GHZ态时，才能获得接近1的获胜概率。QSC则进一步：验证者测量了μN个样本后，根据观测到的实验获胜概率P_exp，利用切尔诺夫-霍夫丁不等式等统计工具，可以计算出她对剩余态平均保真度F ≥ 1 - η的置信度C。该置信度随测量样本数N呈指数增长，而可验证的保真度下限（即η）的标度行为则取决于所用贝尔不等式的性质。当游戏的理想量子获胜概率P_QM = 1时（如Mermin不等式对GHZ态），可达到接近Heisenberg极限的N-1标度；当P_QM < 1时（如CHSH不等式对贝尔态），标度则为次优的N-1/2。
用于QSC的实验装置
实验装置如所示。研究使用了Sagnac环结构和“三明治”结构两种SPDC源分别产生贝尔态和GHZ态。关键创新在于使用同步的主动光学开关进行随机采样。对于两光子和三光子实验，他们分别采用了基于电光调制器（EOM）和微机电系统（MEMS）的开关。测试表明，这种确定性路由方案的两光子和三光子同步效率分别高达0.9439 ± 0.0041和0.9997 ± 0.0066，远超被动分束方案的极限（效率为(1/2)M）。同时，利用SPC过程内在的时间随机性和高速切换，实现了有效的随机采样，并通过NIST随机性测试套件验证了其随机性。
实验结果
在设定采样比例μ ≈ 0.5后，验证者对样本进行QSV测量。对于两光子贝尔态，验证者在大约1秒内就能以超过99%的置信度认证保真度高于0.9；对于三光子GHZ态，达到类似置信水平需要约30分钟，这主要受限于光子产生速率。用户端同时进行的独立测量（如量子态层析和GHZ见证）结果与验证者出具的证书相符，验证了协议的一致性。通过固定置信水平（如99%）并反解出可认证的保真度下限（1-η），研究者绘制了η随验证者测量次数μN的变化曲线，如所示。数据表明，随着测量次数增加，QSC给出的保真度下限（绿点）逐渐收敛至用户通过自检验得到的设备无关估计值（灰线）。标度分析显示，三光子GHZ实验的η标度约为N-0.801，两光子贝尔实验约为N-0.549，均优于理论预测的次优标度N-1/2，其中三光子实验在理想数据段甚至观察到了接近N-0.907的优异标度，逼近理论最优的N-1标度。
研究结论与讨论
本研究成功实验演示了一种实用、高效的量子态认证协议。它通过主动光学开关随机采样，实现了对多光子纠缠态的部分测量认证，保留了大部分态用于后续任务，且仅需态独立产生的弱假设。实验展示了对贝尔态和GHZ态的成功认证，并观察到了优于标准验证标度的性能。尽管当前实验因探测效率等问题尚未完全关闭所有漏洞以实现严格的设备无关性，但研究团队在文中提出了一个未来可实现的、能同时关闭探测、定域性、自由选择等漏洞的完全设备无关QSC方案构想，如所示。这项工作标志着在向实用化量子验证迈出了关键一步。由于该协议仅需本地测量和低复杂度的后处理，易于扩展到离子阱、超导电路等其他量子系统，有望成为未来大规模量子计算设备和量子通信部署中不可或缺的基准测试工具。
