量子电路实现维格纳朋友实验：IBM硬件上的分支通信基准测试

“维格纳的朋友”思想实验，长久以来一直挑战着人们对量子测量和现实本质的理解。现在，这个思想实验正走出理论范畴，被编码成具体的量子电路，并在真实的超导量子计算机上执行。一项最新的研究，就在IBM量子硬件上实现并测试了一个五量子比特的“分支间通信”电路。这项实验不仅测量了传统指标，更引入了对量子相干性敏感的“相干性见证”指标，旨在为未来探测潜在的物理效应建立一套可复现的基准测试方法。

研究背景

自1961年被提出以来，“维格纳的朋友”思想实验就成为了量子力学基础研究的核心议题之一，它直指幺正演化、测量过程与观察者视角等根本问题。近年来，量子信息学界流行一种“电路作为基础”的研究方法，即把这类思想实验转化为明确的量子电路，以便在真实的量子硬件上进行分析和验证。

在此背景下，有研究者提出了一类“分支间通信”协议。其核心思想是：通过操控一个处于叠加态的“朋友”寄存器，实现不同分支（可以理解为平行演化路径）之间受控的内部状态传递。如果存在某种分支干涉效应，它应该能通过特定的可观测量（即相干性见证）被捕捉到。

然而，此前的一些著名实验，主要集中在检验贝尔不等式或局部友好性假设上。针对“分支间通信”这个基本原语本身，特别是利用相干性见证进行直接诊断的实验研究，尚属空白。本次工作正是为了填补这一空白。

研究方法

本研究在IBM Quantum硬件上实现了一个五量子比特的分支传输电路。整个电路的逻辑流程可以划分为三个阶段：

1. 分支条件演化准备：“朋友”寄存器F的演化路径，由一个控制量子比特Q的状态决定。
2. 受控消息传输：在参考量子比特R、朋友寄存器F和探测量子比特P之间，建立受控的关联。
3. 测量：采用两种模式进行测量。一种是基于Z基的测量，用于计算传统的人口统计可见度V；另一种是旋转基测量，专门用于提取对相干性更敏感的“相干性见证”。

电路总共使用了五个量子比特。其中四个（Q， R， F， P）直接参与相干性见证协议的计算，另一个是辅助量子比特，它参与了受控传输过程，但在最终的相干性见证测量中不被读取。在硬件执行前，电路会通过Qiskit的转译器被映射到后端特定的物理量子比特上。

图1：分支传输电路示意图（五量子比特原语）。图中展示了其在硬件上转译和执行后的形态。相干性见证测量作用于四量子比特子集(Q, R, F, P)；辅助量子比特参与受控传输，但在相干性见证模式下不被测量。

研究重点测量了两种核心指标：

• 人口统计可见度 V：从Z基测量的统计结果中提取，计算公式为 V = |P(R=0|P=1) - P(R=1|P=1)|。它的局限性在于，只依赖于量子态密度矩阵的对角元，可能无法检测到非对角元（即相干性）的衰减。
• 相干性见证：为了克服上述局限，研究引入了对非对角元敏感的相干性见证指标，包括 W_X、W_Y 和它们的相位敏感幅度 C_mag。这些指标是四量子比特的泡利算符（X或Y）的关联期望值。
  • W_X = ⟨X_Q⊗X_R⊗X_F⊗X_P⟩
  • W_Y = ⟨Y_Q⊗Y_R⊗Y_F⊗Y_P⟩
  • 为了测量 W_X，需要在测量前对每个量子比特应用一个Hadamard门；测量 W_Y 则需应用 S†H 门。
  • C_mag 定义为 C_mag = √(W_X² + W_Y²)，其理想值为 √2 ≈ 1.414。它是一个对相干性幅度的度量，而非概率。

实验在IBM Quantum的 ibm_fez 后端上执行，每个电路运行20,000次采样。为了评估噪声的影响，研究还使用Qiskit Aer进行了“后端匹配”的噪声模拟。该噪声模型基于执行时 ibm_fez 的实时校准快照构建，包含了门错误率、读出错误和T1/T2弛豫时间等信息。这种模拟作为理解噪声本底的参考，但并非对硬件表现的绝对预测。所有实验的完整溯源信息（作业ID、校准快照、软件版本、SHA256哈希）均已公开，以确保可独立验证。

研究结果

在 ibm_fez 硬件上执行电路后，获得了核心指标的测量值，并与理想模拟、噪声模拟的结果进行了对比。

表1：分支传输电路原语的头条指标对比

指标	理想值（状态向量）	后端匹配噪声模拟	硬件（ibm_fez）
V	1.0000	0.9381	0.8771 ± 0.0034
W_X	1.0000	0.8984 ± 0.0031	0.8398 ± 0.0038
W_Y	-1.0000	-0.8972 ± 0.0031	-0.8107 ± 0.0041
C_mag	1.4142	1.2697	1.1673 ± 0.0040

从表中可以看出：

• 硬件测量的可见度 V 为 0.8771，低于理想值 1.0，也略低于噪声模拟预测值 0.9381。
• 相干性见证 W_X 和 W_Y 的硬件测量值同样低于理想值和噪声模拟值。
• 相位敏感幅度 C_mag 的硬件值为 1.1673，显著低于理想值 1.4142。
  所有测量值均与“幺正演化叠加设备噪声”的预期一致，未观察到暗示非幺正物理的异常偏差。

(a) 相干性见证（W_X， W_Y， C_mag）在不同条件下的对比。

(b) 人口统计可见度V在不同条件下的对比。

图2：主要硬件与模拟结果对比。图中清晰显示，硬件结果介于理想模拟与噪声模拟之间，表明设备噪声是性能退化的主要因素。

研究还进一步将测量结果转化为对参数化噪声通道的约束。例如，考虑一个作用于朋友寄存器的相位翻转（退相干）通道：E_λ(ρ) = (1-λ)ρ + λZρZ。对于包含朋友量子比特上X或Y泡利算符的可观测量（如 W_X），该通道会将期望值衰减一个因子 (1-2λ)。利用测量值 W_X^(hw) = 0.8398 和理想值，可以估算出 λ_est ≈ (1 - W_X^(hw)) / 2 = 0.080。

研究建立了完整的约束分析管道，使用后端匹配的噪声模拟来定义“可探测性阈值”，从而为所选的非幺正通道族提供保守的约束上限。下图展示了在理想和噪声条件下，相干性见证随退相干强度增加而退化的预测情况。

(a) 理想基线下的退相干通道预测。

(b) 噪声（后端匹配）基线下的退相干通道预测。

图3：分支传输电路在(a)理想和(b)后端匹配噪声条件下的退相干通道预测图。图中可见，对角可见度V对退相干相对不敏感，而相干性见证W_X/W_Y则能灵敏地反映相干性损失。

结论与展望

本研究在IBM量子硬件上成功实现并基准测试了一个分支间通信电路原语。其核心贡献在于：

1. 提供了超越传统人口统计可见度V的相干性见证诊断（W_X， W_Y， C_mag），这些指标对量子态的相干性更敏感。
2. 建立了后端匹配的噪声建模方法，为理解硬件结果提供了校准后的参考基线。
3. 演示了如何将测量结果转化为对参数化非幺正通道族的定量约束。
4. 提供了完整的实验溯源信息，确保了结果的可复现性和可独立验证性。

需要明确指出的是，本研究并不旨在测试或区分任何量子力学的具体解释（如多世界诠释、哥本哈根诠释等）。 所有能复现标准量子力学预测的理论框架，在这些电路的操作层面是等价的。本实验的价值在于：
(a) 证明了分支传输这一原语在真实硬件噪声下，其行为与幺正量子力学的预测一致；
(b) 为未来探索可能的、超出标准量子力学框架的物理效应，建立了一套可复现的方法论和基准约束。

当然，实验也存在局限性，例如仅在单一硬件后端上执行。未来的研究方向可能包括：

• 跨模态复制：在离子阱、中性原子、光子学等多种量子计算平台上重复该实验，量化不同硬件体系下的“编译开销”。
• 扩展分支复杂性：将“朋友”状态表示为更长的量子比特串，研究分支演化复杂度与相干性保持能力之间的标度关系。
• 优化执行策略：在硬件最新校准后立即运行实验，或应用误差缓解技术（如零噪声外推），以收紧对非幺正效应的约束上限。

这项工作为量子计算基础研究提供了一套实用的实验工具和基准框架，有助于更深入地理解量子硬件在实现复杂量子协议时的能力与边界。如果你对这类量子计算前沿实验的复现与讨论感兴趣，欢迎来 云栈社区 的相关板块交流。

文献信息

• 文献作者：Christopher Altman
• 发表时间：2026年1月
• 访问链接：arXiv:2601.08102 | GitHub仓库 | Zenodo存档