中科大提出并实验验证基于测量的量子计算的资源理论框架
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2025-10-27 09:28:45
量子计算之所以能够越经典计算，其核心优势在于它能够利用的“魔术”(magic)资源——由Kitaev等人提出的T态或门操作。然而在计算过程如何实现“魔术”资源以达到*量子优势，一直是量子计算领域的核心问题。基于测量的量子计算(MQC)是一种极具潜力的计算范式，它巧妙地从一个本身不具备“魔术”的纠缠图态(graph/WWW.shzy4.com/ state)出发，通过一系列“非泡利测量”来执行运算。这暗示了测量过程是注入“魔术”的关键。然而这些测量是如何一步步注入“魔术”的，以及不同的纠缠结构能够承载“魔术”，一直是该领域悬而未决的关键问题。
针对这一挑战，研究团队创新性地建立了一个全新的理论框架来解决这些问题。他们引入了一个生动的“倒水入杯”模型，将量子优势的积累过程形象化：非泡利测量是“水”，测量过程就像是向系统中“倒水”，代表了为实现某个量子算法所必须投入的“注入魔术资源”(Invested Magic Resources)。而量子系统本身的纠缠结构，则像一个“杯子”，其容量决定了系统能够容纳和有效利用的“魔术”上限，这被称为“潜在魔术资源”(Potential Magic Resources)。一个结构更优、维度更高的纠缠图态，就像一个更大的杯子，拥有更大的“潜在魔术资源”。
实际的量子优势是“杯中水”：*终留在杯中的水，即“存留魔术资源”(Reserved Magic Resources)，才是算法*终获得的、真正有效的量子优势。如果注入的“魔术”(水)过了“杯子”的容量，多余的部分就会溢出，造成资源浪费。
示意图：采用倒水入杯模型类比展示注入魔术资源(M)、潜在魔术资源(P)与存留魔术资源(R)之间的关系。
这个框架清晰地表明，要获得强大的量子计算能力，高效的测量(源源不断的水)和的纠缠结构(足够大的杯子)缺一不可。研究团队还从理论上证明，高维度的纠缠图态(更大的杯子)能够支持线性乃至指数级的量子优势，为设计更高效的量子算法指明方向。
为了验证这一理论，团队在一个高品质的四光子量子计算平台上进行了实验演示。实验结果地展示了在生成关键量子态(如T态和量子傅里叶变换态)的过程中，上海自动化仪表有限公司“注入魔术”和“存留魔术”如何随着每一步测量而变化。实验清晰地观测到，当“注入魔术资源”量过由纠缠结构决定的“潜在魔术资源”上限时，“魔术”资源便会不可避免地被浪费。这为“倒水入杯”模型提供了强有力的实验证据。同时实验还观察到，使用基于测量的量子计算，魔术资源的浪费非常小；证明了基于测量的量子计算是一个十分节约资源的量子计算平台。
这项工作不仅首次从理论和实验上清晰揭示了量子优势在计算过程中的动态积累机制，也为未来优化量子算法、上海自动化仪表三厂减少资源浪费、推进容错量子计算的发展提供了关键的理论工具和实验指导。审稿人对该工作给予了高度评价，认为其“为连接基于测量的量子计算与资源理论做出了重大贡献”(makes WWW.shsaic.net/a significant contribution to bridging MQC and resource theory)，并称赞该工作“挑战了量子计算领域的传统观念，同时提供了全新的视角”(challenges assumptions in quantum computation while offering a fresh perspective)。
论文的*作者为科学技术大学博士生李恭初。该研究得到了科技部、合肥*实验室、*自然科学基金委、安徽省以及科学技术大学等的资助。
