2026年9月29日——新方法可帮助科学家更好地表征量子设备，并理解它们是否表现出有用的量子行为量子计算机和模拟器能够产生海量信息，但从有限的测量集合中准确提取科学家想要知道的信息并不总是直截了当。

普渡大学物理学家开发出一种新方法，即使研究人员只有有限的含噪实验数据集合，也能恢复量子纠缠的一项重要度量。这种方法可为科学家提供一种更实用的方式来表征量子设备，并更好地理解其核心的复杂多体系统。

这项研究由普渡大学物理与天文系助理教授 Laimei Nie 领导，最近发表于《物理评论快报》。普渡大学物理与天文系研究生 Ayush Raj 也在该工作中发挥了主导作用。这项研究与 Akash Vijay、Jonah Kudler-Flam、Benoît Vermersch 和 Andreas Elben 共同完成。

纠缠是量子力学的标志性特征之一。在纠缠系统中，即使科学家只考察系统的一部分，粒子也不能总是彼此独立地描述。理解存在多少纠缠，可以揭示有关量子系统行为的重要信息。

然而，随着量子系统变得更复杂，直接测量纠缠变得极其困难。“我们找到了一种新方法，即使实验只提供有限且含噪的数据，也能可靠地估计量子设备中的纠缠量，”Nie 说。“纠缠是区分量子世界与经典世界的关键特征，但在多体系统中，它众所周知极难测量。”

研究人员已经可以通过称为随机测量的技术获得若干间接的纠缠度量。但物理学家常常想要的一个量是冯·诺依曼熵，它是衡量量子系统内存在多少纠缠的基本度量。随机测量通常不会直接提供该量。

相反，科学家可能只能得到少量测量到的 Rényi 熵，每个都带有一定程度的实验不确定性。Nie 将根据 Rényi 熵估计冯·诺依曼熵的问题，比作仅凭几个模糊点来确定曲线形状。“许多不同的曲线看上去都可能拟合这些点，尤其是当测量包含噪声时，因此简单的外推可能给出不可靠的答案，”Nie 说。“我们的方法利用关于曲线允许如何变化的额外数学信息，并结合每个数据点的不确定性，来排除不合理的可能性，并识别出可信的估计。”

研究人员的方法名为稳定化解析延拓（SAC），它利用已知的数学约束，并纳入实验测量中的不确定性，而不是简单地对可用数据拟合一条曲线。

团队首先使用受控数值模拟测试了该方法。Raj 使用合成数据进行了大量测试，随后帮助将该方法应用于来自真实量子模拟器的实验数据。这些测试旨在确定当引入真实噪声时，该技术是否仍保持准确。

随后，研究人员将该方法应用于此前从离子阱量子模拟器收集的数据。该系统包含 10 个钙离子，使团队能够在由实际量子实验产生的测量结果上演示该方法，而不是仅依赖理想化计算。研究发现，SAC 得出了稳定的冯·诺依曼熵估计，而其他外推方法对噪声的敏感度则高得多。

对于从事量子硬件开发的研究人员来说，可靠性很重要。“短期内，我们的方法可以帮助研究人员从现有量子实验中提取更有用、更可靠的信息，而无需一种全新的测量方案，”Nie 说。“特别是，它提供了一种从有限、含噪测量中估计纠缠的实用方法，这可以改进量子设备的表征方式。”

这种方法最终可能远远超出这一特定测量。在论文中，研究人员指出，同一数学框架可以适用于其他非线性、难以测量的量子诊断量。他们还提出，类似的解析延拓问题也会出现在物理学的其他领域。

Nie 的更广泛研究利用量子信息科学的思路来理解多体量子系统，包括量子材料和合成量子物质。她尤其感兴趣的是，纠缠测量如何揭示量子混沌和热化等现象，并最终为量子技术的发展作出贡献。

这项工作也展示了普渡大学不断壮大的量子研究群体。Nie 是普渡大学量子科学与工程研究所的成员，她的研究聚焦于量子信息学和量子材料。

“普渡大学物理与天文系有着高度协作的环境，许多教师从事量子科学不同领域的工作，”Nie 说。“这些互动对我们的研究尤其宝贵。”