【儀表網 研發快訊】中國科學技術大學郭光燦院士團隊李傳鋒、陳耕等人與復旦大學周游、意大利那不勒斯費德里克二世大學Alioscia Hamma等人合作，在基于測量的量子計算(measurement-basedquantumcomputation,MQC)的魔術資源理論研究中取得重要進展。團隊首次提出了“注入魔術資源”(invested magic resources)和“潛在魔術資源”(potential magic resources)兩個核心概念，如同為量子計算過程配備了精確的“標尺”和標準的“量杯”，揭示了量子計算優勢的積累過程。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，并為設計更高效的量子算法指明方向。相關成果于10月16日以“Invested and Potential Magic Resources in Measurement-Based Quantum Computation”為題發表在國際知名期刊Physical Review Letters上。
 

　　量子計算之所以能夠超越經典計算，其核心優勢之一在于它能夠利用獨特的“魔術”(magic)資源——由Kitaev等人提出的T態或門操作。然而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(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”的糾纏圖態(graph state)出發，通過一系列“非泡利測量”來執行運算。這暗示了測量過程是注入“魔術”的關鍵。然而這些測量是如何一步步注入“魔術”的，以及不同的糾纏結構能夠承載多少“魔術”，一直是該領域懸而未決的關鍵問題。
 

　　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”(Invested Magic Resources)。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”(Potential Magic Resources)。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”(Reserved Magic Resources)，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。
 

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

　　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。
 

　　為了驗證這一理論，團隊在一個高品質的四光子量子計算平臺上進行了實驗演示。實驗結果精確地展示了在生成關鍵量子態(如T態和量子傅里葉變換態)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。實驗清晰地觀測到，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。同時實驗還觀察到，使用基于測量的量子計算，魔術資源的浪費非常小；證明了基于測量的量子計算是一個十分節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了高度評價，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”(makes a significant contribution to bridging MQC and resource theory)，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”(challenges assumptions in quantum computation while offering a fresh perspective)。
 

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