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近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、陳耕等，聯合復旦大學、意大利那不勒斯費德里克二世大學的科研人員，在基于測量的量子計算魔術資源理論研究方面取得進展。團隊提出了“注入魔術資源”和“潛在魔術資源”兩個重要概念，如同為量子計算過程配備了精確的“標尺”和標準的“量杯”，揭示了量子計算優(yōu)勢的積累過程。這一理論為探討和量化量子計算的計算能力提供了新視角，并為設計更高效的量子算法指明了方向。

量子計算之所以能夠超越經典計算，其核心優(yōu)勢之一在于其能夠利用獨特的“魔術”資源。計算過程如何實現“魔術”資源以達到最大量子優(yōu)勢，是量子計算領域的核心問題。基于測量的量子計算是頗具潛力的計算范式，從一個本身不具備“魔術”的糾纏圖態(tài)出發(fā)，通過一系列“非泡利測量”來執(zhí)行運算。這提示，測量過程是注入“魔術”的關鍵。但是，這些測量如何一步步注入“魔術”，以及不同的糾纏結構能夠承載多少“魔術”，尚不清楚。

研究團隊建立了新的理論框架來解決上述問題。團隊引入生動的“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”，代表為實現某個量子算法所必須投入的“注入魔術資源”。量子系統(tǒng)本身的糾纏結構，像一個“杯子”，其容量決定系統(tǒng)能夠容納和有效利用的“魔術”上限，被稱為“潛在魔術資源”。一個結構更優(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”（水）超過“杯子”的容量，多余的部分就會溢出，造成資源浪費。

這一框架表明，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)質的糾纏結構（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級的量子優(yōu)勢，為設計更高效的量子算法指明了方向。

為了驗證這一理論，團隊在高品質的四光子量子計算平臺上進行實驗演示。實驗結果顯示，在生成關鍵量子態(tài)的過程中，“注入魔術”和“存留魔術”如何隨著每一步測量而變化。實驗觀測發(fā)現，當“注入魔術資源”總量超過由糾纏結構決定的“潛在魔術資源”上限時，“魔術”資源便會被浪費。這為“倒水入杯”模型提供了實驗證據。同時，實驗觀察發(fā)現，使用基于測量的量子計算，“魔術”資源浪費小，證明基于測量的量子計算是節(jié)約資源的量子計算平臺。

上述工作在理論和實驗上揭示了量子優(yōu)勢在計算過程中的動態(tài)積累機制，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，提供了理論工具和實驗指導。

10月16日，相關研究成果發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到科學技術部和國家自然科學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“注入魔術資源”、“潛在魔術資源”與“存留魔術資源”之間的關系