用光子“纠缠态”做实验，快速验证量子状态是否靠谱

量子技术依靠纠缠态实现经典技术无法完成的高效或安全任务，但使用前需验证这些实验产生的纠缠态。传统验证方法需制备N个相同且独立分布（IID）的态并全部测量，例如量子态层析，但其资源消耗随系统规模呈指数增长，且测完后无态可用，还需假设源在表征和运行阶段一致。为解决这些问题，本研究实验实现了量子态认证（QSC）协议。

QSC的核心是仅测量部分态来认证剩余态的性质。具体而言，“验证者”随机抽取部分态进行量子态验证（QSV），向“用户”证明剩余态与目标态的保真度。QSC基于QSV，考虑N个独立（不一定同分布）的物理态，验证者测量μN个态后，对未测量的用户态进行认证，回答“以多大置信度能确定剩余μ个态的平均保真度至少为95%”。

实验中，研究人员使用主动光开关（OS）对双光子贝尔态和三光子GHZ（Greenberger-Horn-Zeilinger）态源进行随机采样。这些开关能确定性地将每个态路由给用户或验证者，同步效率高（双光子0.9439±0.0041，三光子0.9997±0.0066），且采样随机性通过NIST随机数测试。验证者对采样态执行QSV，用户同时进行实验，可根据验证者的置信度调整或等待。

结果显示，双光子态在约1秒内、三光子态在约30分钟内，验证者即可报告高置信度（>0.99）的保真度。双光子用CHSH不等式，三光子用Mermin不等式，两者展示不同的保真度标度行为：双光子接近N⁻¹/²标度，三光子则优于该标度。用户通过设备相关测量（量子态层析、GHZ见证）和设备无关自测试得到的保真度，均与验证者的QSC结果一致。

该QSC协议无需假设态同分布（仍需独立），可实现接近N⁻¹的标度，还能设备无关实现，适用于大规模量子计算设备基准测试和量子通信部署，尤其在对抗环境中。未来可扩展到其他量子系统（如离子阱、冷原子、超导电路），并通过改进实验设计（如无漏洞贝尔测试）实现完全设备无关认证。