麻省理工学院和加州理工学院的研究团队揭示了由相互作用多体系统的部分测量引起的涌现随机性，并且利用该现象开发了一种新的基准协议，可以应用于现有的量子模拟器，根据它们的量子波动模式来衡量它们的保真度。该成果于1月18日发表在《自然》杂志上。
在单原子的尺度上，物理学变得与经典世界迥然不同。研究人员正致力于使用量子模拟模拟器来揭示、利用和控制这些奇怪的量子效应，并通过激光和磁场进行探测。但要想从量子模拟器中收获真知灼见，首先得信任它们。或者说，研究人员必须确保他们的量子装置具有“高保真度”，能够准确地反映量子行为。例如，如果一个原子系统很容易受到外界噪声的影响，那么研究人员可以模拟一个没有噪声的量子效应。
来自麻省理工学院和加州理工学院的研究团队发现了一种新的量子现象：原子的量子涨落存在某些随机性，这些随机性呈现出普遍的、可预测的模式。既随机又可预测的行为听起来可能是矛盾的，但研究团队证实，某些随机波动确实可以遵循可预测的统计模式。更重要的是，研究人员已经将这种量子随机性作为表征量子模拟模拟器保真度的工具。研究人员假设，如果他们能够开发出一种精确代表量子模拟器的动力学和普遍随机波动的数值模拟，他们就可以将预测结果与模拟器的实际结果进行比较。两者越接近，量子模拟器必须越精确。为了验证这一想法，麻省理工学院Soonwon Choi与加州理工学院的实验人员合作，设计了一个由25个原子组成的量子模拟模拟器。研究人员照射一束激光来集体激发原子，然后让量子比特随着时间自然地相互作用和演化。他们在多次运行中测量每个量子比特的状态，总共收集了10,000次测量。Choi和同事还开发了一个数值模型来表示实验的量子动力学，并纳入了他们推导的方程来预测应该出现的普遍的随机波动。研究人员随后将他们的实验测量结果与模型的预测结果进行了比较，并观察到了非常接近的匹配，有力的证据表明，这个特定的模拟器可以被认为反映了纯粹的量子力学行为。更广泛地说，该结果展示了一种新的方法来表征几乎任何现有的量子模拟模拟器。
这是一种广泛适用的保真度估计方案，与现有方法相比，它的演化时间更短，实验复杂度更低，并已在哈密顿参数估计、目标态生成基准测试以及模拟和数字量子器件的比较等方面进行了验证。Choi说：“表征量子器件的能力是建立越来越大、更精确和复杂的量子系统的一个非常基本的技术工具。有了我们的工具，人们可以知道他们是否在使用一个可信任的系统。”
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https://www.nature.com/articles/s41586-022-05442-1
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