2026年7月10日——长期以来，证明一种量子测量比另一种更强大一直很困难。来自海因里希·海涅杜塞尔多夫大学、隆德大学和因斯布鲁克大学的物理学家们如今开发并展示了一种简单技术，能够验证某一类测量具有无法被更简单方法模仿的特性。

测量是所有量子技术的核心。它们被认为会“坍缩”所作用的量子态，破坏其量子特性，并充当通向经典世界的桥梁。奇怪的是，量子力学允许比我们通常与系统经典属性直接关联的测量更为广义的测量类型。

这些广义测量，即POVM（正算子值测度的缩写），并不仅仅是数学上的新奇事物。已知它们能够在区分原本无法区分的量子态、从量子传感器中提取更多信息以及保障量子通信安全等任务中提升性能。然而，POVM在实际量子设备中很难实现，并且通常难以证明它们确实优于更简单的测量方式，这使人难以判断其增加的复杂性是否值得。这种新的认证方法为研究人员提供了一种实用的工具来回答这个问题。

认证无法被模拟的POVM

“虽然一些POVM确实比标准测量提供了更多优势，但另一些则可以通过更简单的方法（例如标准测量的集合）来‘模拟’，”杜塞尔多夫大学的Raphael Brinster解释道。因此，识别出那些无法通过处理标准测量来‘模拟’的POVM，是理解广义测量优势并解锁其在量子设备中应用的关键。然而，在此之前，保证不存在此类模拟一直是一项重大挑战。

杜塞尔多夫、隆德和因斯布鲁克的研究团队合作开发并展示了一种算法，该算法仅使用少量测量就能高效地提供这种认证。由此产生的认证证书能够保证任何标准测量的组合都无法重现该POVM的结果。至关重要的是，这种认证不仅仅是理论成果：正如团队通过在因斯布鲁克的一台量子计算机上认证不可模拟的测量所展示的那样，它具有足够的鲁棒性，能够承受实际实验中的不完美情况。

量子计算新范式使其成为可能

在量子计算机上实现POVM在实践中很困难，因为它们的输出结果可能超过单个量子比特所能产生的两种结果。实现这类测量并对其进行认证，得益于因斯布鲁克大学开发的一种新型量子计算平台，该平台超越了二进制量子比特，转而采用任意维度的逻辑。

这些所谓的“qudits”不仅有望实现更高效的量子信息处理，还能解锁仅靠量子比特无法实现的技术。“这些结果表明，使用qudits，即使仅仅是为了辅助测量，也能极大地提升量子技术的实用性，”领导因斯布鲁克团队的Martin Ringbauer表示。

这项研究得到了奥地利科学基金（FWF）、联邦教育科学与研究部、奥地利研究促进署（FFG）、欧盟、瑞典研究委员会以及德国研究基金会（DFG）等机构的资助。