研究為量子計算提供“標尺”和“量杯”

　　中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、陳耕等與復旦大學周游、意大利那不勒斯費德里克二世大學Alioscia Hamma等合作，首次提出了“注入魔術資源”和“潛在魔術資源”兩個核心概念，如同為量子計算過程配備了精確的“標尺”和標準的“量杯”，揭示了量子計算優勢的積累過程。相關成果日前發表于《物理評論快報》。

　　量子計算的核心優勢之一在于它能夠利用獨特的“魔術”資源——由Kitaev等人提出的T態或門操作。在計算過程如何實現“魔術”資源以達到最大量子優勢，一直是量子計算領域的核心問題。基于測量的量子計算是一種極具潛力的計算范式，其測量過程是注入“魔術”的關鍵。然而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”，一直懸而未決。

　　針對這一挑戰，研究團隊創新性地建立了一個全新的理論框架。引入了一個生動的“倒水入杯”模型，將量子優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中“倒水”，代表了為實現某個量子算法所必須投入的“注入魔術資源”。而量子系統本身的糾纏結構，則像一個“杯子”，其容量決定了系統能夠容納和有效利用的“魔術”上限，這被稱為“潛在魔術資源”。一個結構更優、維度更高的糾纏圖態，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、真正有效的量子優勢。如果注入的“魔術”（水）超過了“杯子”的容量，多余的部分就會溢出，造成資源浪費。

　　這個框架表明，要獲得強大的量子計算能力，高效的測量（源源不斷的水）和優質的糾纏結構（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（更大的杯子）能夠支持超線性乃至指數級的量子優勢，為設計更高效的量子算法指明方向。此外，團隊進行了實驗演示，為“倒水入杯”模型提供了強有力的實驗證據。

　　這項工作不僅首次從理論和實驗上清晰揭示了量子優勢在計算過程中的動態積累機制，也為未來優化量子算法、減少資源浪費、推進容錯量子計算的發展提供了關鍵的理論工具和實驗指導。

　　審稿人對該工作給予高度評價，認為其“為連接基于測量的量子計算與資源理論做出了重大貢獻”，并稱贊該工作“挑戰了量子計算領域的傳統觀念，同時提供了全新的視角”。