近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊李傳鋒、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算魔術(shù)資源理論研究方面取得進(jìn)展。團(tuán)隊提出了“注入魔術(shù)資源”和“潛在魔術(shù)資源”兩個重要概念，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。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(shè)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(jīng)典計算，其核心優(yōu)勢之一在于其能夠利用獨(dú)特的“魔術(shù)”資源。計算過程如何實現(xiàn)“魔術(shù)”資源以達(dá)到最大量子優(yōu)勢，是量子計算領(lǐng)域的核心問題?；跍y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(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)隊建立了新的理論框架來解決上述問題。團(tuán)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(xiàn)某個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“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”，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)計更高效的量子算法指明了方向。

為了驗證這一理論，團(tuán)隊在高品質(zhì)的四光子量子計算平臺上進(jìn)行實驗演示。實驗結(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。實驗觀測發(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，“魔術(shù)”資源便會被浪費(fèi)。這為“倒水入杯”模型提供了實驗證據(jù)。同時，實驗觀察發(fā)現(xiàn)，使用基于測量的量子計算，“魔術(shù)”資源浪費(fèi)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(jī)制，為未來優(yōu)化量子算法、減少資源浪費(fèi)、推進(jìn)容錯量子計算的發(fā)展，提供了理論工具和實驗指導(dǎo)。

10月16日，相關(guān)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(xué)技術(shù)部和國家自然科學(xué)基金委員會等的支持。