量子计算机揭示波函数是真实存在的

量子力学真的反映自然吗 以其最真实的形式，或者这只是我们描述非常小的奇怪特性的不精确方式？一项可以帮助回答这个问题的著名测试现已在量子计算机上进行了尝试，并得出了令人惊讶的具体结论。量子力学确实完整地描述了现实，至少对于微型量子设备来说是这样——其结果可以帮助我们构建更好、更可靠的量子机器。

自从一个多世纪前首次发现量子力学以来，其不确定性和概率性质一直困扰着物理学家。以叠加态为例，一个粒子是否实际上同时居住在多个地方，或者其位置的计算是否为我们提供了它实际所在位置的一系列概率？如果是后者，可能存在量子力学隐藏的现实特征，限制了我们的确定性。这样的特征将是“隐变量”，因此基于此想法的理论称为隐变量理论。

20 世纪 60 年代，物理学家约翰·贝尔设计了一项实验 来排除此类理论。贝尔测试通过测量遥远的量子粒子对的连接或纠缠程度来探测量子性。如果它们的量子特性保持在某个阈值之上——如果它们的纠缠是我们所说的非局部的、跨越任何距离的——那么我们就可以排除隐变量理论。此后，许多量子系统都尝试了贝尔测试，一致裁定支持量子世界固有的非局域性。

2012 年，物理学家 Matthew Pusey、Jonathan Barrett 和 Terry Rudolph 提出了一种更具探索性的测试（以他们的名字命名为 PBR），这将使实验者能够区分量子系统的各种解释。其中包括本体论观点，该观点认为我们对量子系统及其波函数（其量子态的数学描述）的测量代表了现实。另一种解释被称为认知观，认为波函数是海市蜃楼，其背后存在着更深刻、更丰富的现实。

假设您相信量子系统不具有可以影响波函数之外的系统的其他秘密特征，那么 PBR 的数学表明您应该始终对事物有一个本体的看法 – 无论它们看起来多么奇怪，量子行为都是真实的。 PBR 测试的工作原理是比较不同的量子元素（例如量子计算机内的量子位），并测量它们读取某些属性（例如自旋）相同值的频率。如果认知观点是正确的，那么你的量子位读取相同值的次数将高于量子力学的预测，这表明背后正在发生其他事情。

Songqinghao Yang 剑桥大学的教授和他的同事设计了一种在正在运行的 IBM Heron 量子计算机上进行 PBR 测试的方法，他们发现，对于少量的量子位，我们确实可以说量子系统是本体的。也就是说，量子力学似乎按照我们的想法运作，正如贝尔测试一再发现的那样。

Yang 和他的团队通过测量五个量子位对或一组（例如 1 和 0 的字符串）产生的总体输出来进行这项检查，并计算该结果与他们对量子系统应如何表现的预测相一致的频率，并考虑到系统中的自然误差。

“目前，所有量子硬件都有噪声，并且所有操作都存在一些错误，因此如果我们在 PBR 阈值之上添加这种噪声，那么我们的解释会发生什么？ [of our system]？”杨说。 “事实证明，如果你进行小规模的实验，那么我们仍然可以满足原始的 PBR 测试，并且我们可以排除认知解释。”隐藏变量，消失吧。

虽然他们可以在少量量子位上证明这一点，但他们很难在 156 量子位 IBM 机器上对大量量子位做同样的事情。系统中的噪音或错误变得太大，研究人员无法区分 PBR 测试中的两种场景。

这意味着测试无法告诉我们世界是否一直是量子的。可能在某些尺度上，本体论观点胜出，而在更大的尺度上，我们无法准确地看到量子效应正在做什么。

能够使用此测试验证量子计算机的“量子性”可能是确认这些设备正在做我们认为的事情的一种方法，并且使它们更有可能表现出量子优势——完成传统计算机需要花费不合理时间的任务的能力。 “如果你想拥有量子优势，你的量子计算机内部就需要具有量子性，否则你就可以找到等效的经典算法。”团队成员袁浩木说道 在剑桥大学。

“使用 PBR 作为设备性能基准的想法很有趣，”Matthew Pusey 说 英国约克大学教授，PBR 原作者之一。但普西不太确定它是否在告诉我们一些关于现实的事情。 “做这个实验而不是依赖理论的主要原因是你是否认为量子理论可能是错误的。但如果量子理论是错误的，你到底在问什么问题？本体与认知状态的整个设置都以量子理论为前提。”

为了真正找到一种方法来进行 PBR 测试来告诉我们现实，您需要找到一种方法来做到这一点，而不需要预先假设量子理论是正确的。 “有少数人相信量子物理学将在某种介观尺度上从根本上崩溃，”特里·鲁道夫说 伦敦帝国理工学院是 PBR 测试的另一位创始人。 “虽然这个实验不太可能与排除任何具体的此类提议相关——需要明确的是，我不知道其中一种方式！——在更大的系统上测试量子理论的基本特征总是有助于我们缩小替代理论的搜索空间。”

参考： arXiv, DOI：arxiv.org/abs/2510.11213