【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊李傳鋒、陳耕等人與復(fù)旦大學(xué)周游、意大利那不勒斯費德里克二世大學(xué)Alioscia Hamma等人合作，在基于測量的量子計算(measurement-basedquantumcomputation,MQC)的魔術(shù)資源理論研究中取得重要進展。團隊首次提出了“注入魔術(shù)資源”(invested magic resources)和“潛在魔術(shù)資源”(potential magic resources)兩個核心概念，如同為量子計算過程配備了精確的“標(biāo)尺”和標(biāo)準(zhǔn)的“量杯”，揭示了量子計算優(yōu)勢的積累過程。該理論為理解和量化量子計算的計算能力提供了全新的視角，并為設(shè)計更高效的量子算法指明方向。相關(guān)成果于10月16日以“Invested and Potential Magic Resources in Measurement-Based Quantum Computation”為題發(fā)表在國際知名期刊Physical Review Letters上。
 

　　量子計算之所以能夠超越經(jīng)典計算，其核心優(yōu)勢之一在于它能夠利用獨特的“魔術(shù)”(magic)資源——由Kitaev等人提出的T態(tài)或門操作。然而在計算過程如何實現(xiàn)“魔術(shù)”資源以達(dá)到最大量子優(yōu)勢，一直是量子計算領(lǐng)域的核心問題。基于測量的量子計算(MQC)是一種極具潛力的計算范式，它巧妙地從一個本身不具備“魔術(shù)”的糾纏圖態(tài)(graph state)出發(fā)，通過一系列“非泡利測量”來執(zhí)行運算。這暗示了測量過程是注入“魔術(shù)”的關(guān)鍵。然而這些測量是如何一步步注入“魔術(shù)”的，以及不同的糾纏結(jié)構(gòu)能夠承載多少“魔術(shù)”，一直是該領(lǐng)域懸而未決的關(guān)鍵問題。
 

　　針對這一挑戰(zhàn)，研究團隊創(chuàng)新性地建立了一個全新的理論框架來解決這些問題。他們引入了一個生動的“倒水入杯”模型，將量子優(yōu)勢的積累過程形象化：非泡利測量是“水”，測量過程就像是向系統(tǒng)中“倒水”，代表了為實現(xiàn)某個量子算法所必須投入的“注入魔術(shù)資源”(Invested Magic Resources)。而量子系統(tǒng)本身的糾纏結(jié)構(gòu)，則像一個“杯子”，其容量決定了系統(tǒng)能夠容納和有效利用的“魔術(shù)”上限，這被稱為“潛在魔術(shù)資源”(Potential Magic Resources)。一個結(jié)構(gòu)更優(yōu)、維度更高的糾纏圖態(tài)，就像一個更大的杯子，擁有更大的“潛在魔術(shù)資源”。
 

　　實際的量子優(yōu)勢是“杯中水”：最終留在杯中的水，即“存留魔術(shù)資源”(Reserved Magic Resources)，才是算法最終獲得的、真正有效的量子優(yōu)勢。如果注入的“魔術(shù)”(水)超過了“杯子”的容量，多余的部分就會溢出，造成資源浪費。
 

　　示意圖：采用倒水入杯模型類比展示注入魔術(shù)資源(M)、潛在魔術(shù)資源(P)與存留魔術(shù)資源(R)之間的關(guān)系。
 

　　這個框架清晰地表明，要獲得強大的量子計算能力，高效的測量(源源不斷的水)和優(yōu)質(zhì)的糾纏結(jié)構(gòu)(足夠大的杯子)缺一不可。研究團隊還從理論上證明，高維度的糾纏圖態(tài)(更大的杯子)能夠支持超線性乃至指數(shù)級的量子優(yōu)勢，為設(shè)計更高效的量子算法指明方向。
 

　　為了驗證這一理論，團隊在一個高品質(zhì)的四光子量子計算平臺上進行了實驗演示。實驗結(jié)果精確地展示了在生成關(guān)鍵量子態(tài)(如T態(tài)和量子傅里葉變換態(tài))的過程中，“注入魔術(shù)”和“存留魔術(shù)”如何隨著每一步測量而變化。實驗清晰地觀測到，當(dāng)“注入魔術(shù)資源”總量超過由糾纏結(jié)構(gòu)決定的“潛在魔術(shù)資源”上限時，“魔術(shù)”資源便會不可避免地被浪費。這為“倒水入杯”模型提供了強有力的實驗證據(jù)。同時實驗還觀察到，使用基于測量的量子計算，魔術(shù)資源的浪費非常??；證明了基于測量的量子計算是一個十分節(jié)約資源的量子計算平臺。
 

　　這項工作不僅首次從理論和實驗上清晰揭示了量子優(yōu)勢在計算過程中的動態(tài)積累機制，也為未來優(yōu)化量子算法、減少資源浪費、推進容錯量子計算的發(fā)展提供了關(guān)鍵的理論工具和實驗指導(dǎo)。審稿人對該工作給予了高度評價，認(rèn)為其“為連接基于測量的量子計算與資源理論做出了重大貢獻”(makes a significant contribution to bridging MQC and resource theory)，并稱贊該工作“挑戰(zhàn)了量子計算領(lǐng)域的傳統(tǒng)觀念，同時提供了全新的視角”(challenges assumptions in quantum computation while offering a fresh perspective)。
 

　　論文的第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生李恭初。該研究得到了科技部、合肥國家實驗室、國家自然科學(xué)基金委、安徽省以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等的資助。