近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、陳耕等，聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)、意大利那不勒斯費(fèi)德里克二世大學(xué)的科研人員，在基于測量的量子計(jì)算魔術(shù)資源理論研究方面取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)提出了“注入魔術(shù)資源”和“潛在魔術(shù)資源”兩個(gè)重要概念，如同為量子計(jì)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(jì)算優(yōu)勢的積累過程。這一理論為探討和量化量子計(jì)算的計(jì)算能力提供了新視角，并為設(shè)計(jì)更高效的量子算法指明了方向。
量子計(jì)算之所以能夠超越經(jīng)典計(jì)算，其核心優(yōu)勢之一在于其能夠利用獨(dú)特的“魔術(shù)”資源。計(jì)算過程如何實(shí)現(xiàn)“魔術(shù)”資源以達(dá)到最大量子優(yōu)勢，是量子計(jì)算領(lǐng)域的核心問題。基于測量的量子計(jì)算是頗具潛力的計(jì)算范式，從一個(gè)本身不具備“魔術(shù)”的糾纏圖態(tài)出發(fā)，通過一系列“非泡利測量”來執(zhí)行運(yùn)算。這提示，測量過程是注入“魔術(shù)”的關(guān)鍵。但是，這些測量如何一步步注入“魔術(shù)”，以及不同的糾纏結(jié)構(gòu)能夠承載多少“魔術(shù)”，尚不清楚。
研究團(tuán)隊(duì)建立了新的理論框架來解決上述問題。團(tuán)隊(duì)引入生動的“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”，測量過程如同向系統(tǒng)中“倒水”，代表為實(shí)現(xiàn)某個(gè)量子算法所必須投入的“注入魔術(shù)資源”。量子系統(tǒng)本身的糾纏結(jié)構(gòu)，像一個(gè)“杯子”，其容量決定系統(tǒng)能夠容納和有效利用的“魔術(shù)”上限，被稱為“潛在魔術(shù)資源”。一個(gè)結(jié)構(gòu)更優(yōu)、維度更高的糾纏圖態(tài)，就像一個(gè)更大的杯子，擁有更大的“潛在魔術(shù)資源”。
實(shí)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”，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“杯子”的容量，多余的部分就會溢出，造成資源浪費(fèi)。
這一框架表明，要獲得強(qiáng)大的量子計(jì)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。理論證明，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(jì)更高效的量子算法指明了方向。
為了驗(yàn)證這一理論，團(tuán)隊(duì)在高品質(zhì)的四光子量子計(jì)算平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在生成關(guān)鍵量子態(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(shí)驗(yàn)觀測發(fā)現(xiàn)，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(shí)，“魔術(shù)”資源便會被浪費(fèi)。這為“倒水入杯”模型提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)觀察發(fā)現(xiàn)，使用基于測量的量子計(jì)算，“魔術(shù)”資源浪費(fèi)小，證明基于測量的量子計(jì)算是節(jié)約資源的量子計(jì)算平臺。
上述工作在理論和實(shí)驗(yàn)上揭示了量子優(yōu)勢在計(jì)算過程中的動態(tài)積累機(jī)制，為未來優(yōu)化量子算法、減少資源浪費(fèi)、推進(jìn)容錯(cuò)量子計(jì)算的發(fā)展，提供了理論工具和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。
10月16日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。研究工作得到科學(xué)技術(shù)部和國家自然科學(xué)基金委員會等的支持。
論文鏈接
示意圖：采用倒水入杯模型類比展示“注入魔術(shù)資源”、“潛在魔術(shù)資源”與“存留魔術(shù)資源”之間的關(guān)系
本文鏈接：研究提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基于測量的量子計(jì)算的資源理論框架http://www.sq15.cn/show-12-1965-0.html
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