近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）量子计算云平台团队、超导量子计算团队、量子操作系统软件研发团队与中国科学院物理研究所和中国科学技术大学合作，利用二维9比特超导量子芯片，完成了麦克斯韦妖辅助的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森导引(EPR Steering)的实验演示。2024年9月26日，相关成果“Demonstration of Maxwell demon-assisted Einstein-Podolsky-Rosen steering via superconducting quantum processor”以Letter形式发表在Physical Review Research期刊上。

非局域性是量子理论的一个关键特性，它使得量子理论与传统理论非常不同。Bell不等式是目前用来验证量子非局域性的最严格方法，相关工作于2022年被授予诺贝尔奖。EPR steering则是一种介于贝尔非局域性和不可分离性的非局域形式，它否定了任何局部隐态模型。从信息论的角度来看，测量后纠缠系统的熵比混合状态下的熵更低，这表明量子系统中含有额外的信息可以用于做功。由于麦克斯韦妖的概念与热力学和信息学有着深刻的联系,因此自然地麦克斯韦妖与量子关联的相关研究具有重要的学术价值。

随着量子信息科学领域的快速发展，人们对研究麦克斯韦妖与量子关联之间的联系越来越感兴趣。到目前为止，大多数的研究工作都聚焦于通过利用麦克斯韦妖从量子关联中提取功。最近，量子院及其合作团队首次提出了麦克斯韦妖辅助的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森导引的新概念（图1），研究表明通过做功来模拟EPR Steering中的非局域性是可能的，这意味着在实际的量子导引任务中存在此前未被发现的热力学漏洞。

更进一步地，量子院团队及其合作团队完成了上述理论预测的实验验证。在本次实验研究中，实验团队使用超导量子芯片成功验证了麦克斯韦妖辅助的EPR Steering的量子线路模型(图2a)，并观察到了小妖做功与EPR Steering任务中展示的非局域性的线性关系(图3)。本次使用的超导量子芯片是一个包含9个比特的二维正方形网格样品，该样品由9个量子比特和12个耦合器组成，如图2（c）。其中5个量子比特q0-q4用于执行量子电路。在具体实验中，图2（a）和（b）的量子电路编译分解并优化为一系列可以在超导量子处理器上运行的单比特旋转门和两量子比特CZ门序列。该工作先后在量子院超导量子计算团队和量子计算云平台团队实验室展开，使用的芯片由超导量子计算团队制备，实验中执行线路所使用的单量子比特门和两量子比特CZ门的平均保真度达到99.9％和99％（随机基准测试标定）。麦克斯韦妖辅助的EPR导引方案及相应量子线路模型的提出和实验验证，证明了在目前的EPR导引非局域性测试中存在一种此前未被发现的热力学漏洞。该项研究将极大的加深我们对于量子关联，热力学和信息论三者之间关系的理解，并为进一步探索提供了新的研究方向。

图1  麦克斯韦妖辅助的EPR导引示意图

图2  (a) 麦克斯韦妖辅助的EPR导引的量子电路表示。(b) 没有麦克斯韦妖的EPR导引量子电路表示。(c) 超导量子处理器的示意图。在实验以一定的概率p执行电路(a)或电路(b)，模拟小妖进行概率操作的情况。

图3  (a) 实验结果验证了理论预测的p和S2之间的线性关系。EPR Steering参数最大值S2测量值为0.770±0.005，比经典界限大12.6个标准偏差。(b) 模拟结果显示，实验与理想情况之间的偏差主要由实际电路中的去极化噪声引起。

该成果第一作者为量子院博士后王子婷和助理研究员王睿侠，通讯作者为量子院胡孟军副研究员、黄凯旋助理研究员以及中国科学技术大学张永生教授。其他作者还包括量子院于海峰研究员、赵士平研究员、赵鹏博士以及量子院/物理所兼聘研究员范桁、许凯副研究员、博士后时运豪和博士生杨钊华。该工作得到了国家自然科学基金、量子科学与技术创新计划和北京新星计划等资助。

原文链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.L032073