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記者12月26日獲悉，由清華大學(xué)丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心助理教授魏朝暉、交叉信息研究院博士生孫維孝、丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心博士生魏付川及邵鈺菓組成的科研團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算研究方面取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)成功刻畫(huà)了逐步增強(qiáng)的噪聲影響量子優(yōu)勢(shì)的完整動(dòng)態(tài)過(guò)程，并意外發(fā)現(xiàn)噪聲會(huì)導(dǎo)致量子優(yōu)勢(shì)突然消亡的特殊現(xiàn)象。相關(guān)論文發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

多年來(lái)，人類(lèi)一直有個(gè)宏大的目標(biāo)：建造大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)計(jì)算能力的跨越式發(fā)展。當(dāng)下，在實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的道路上還存在很多阻礙，其中之一便是量子信息的脆弱性使其易受噪聲干擾，削弱了量子計(jì)算相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。噪聲指的是在量子計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)的會(huì)干擾和影響量子信息處理的不確定因素，包括環(huán)境干擾、測(cè)量誤差、量子門(mén)操作的不準(zhǔn)確性等。研究噪聲如何影響甚至摧毀量子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，是量子計(jì)算關(guān)鍵的理論研究方向之一。

人們很早就意識(shí)到，過(guò)強(qiáng)的噪聲會(huì)導(dǎo)致量子計(jì)算可以被經(jīng)典計(jì)算快速模擬，進(jìn)而導(dǎo)致量子優(yōu)勢(shì)徹底消失。然而，當(dāng)噪聲較弱時(shí)，情況要復(fù)雜許多。在一個(gè)優(yōu)秀的量子算法中，噪聲的影響尤為顯著。如果噪聲強(qiáng)度從零開(kāi)始緩慢增加，如何精確刻畫(huà)其影響量子優(yōu)勢(shì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程？量子計(jì)算要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工程應(yīng)用，理解這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程至關(guān)重要，但人們對(duì)這個(gè)問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還十分有限。

刻畫(huà)這個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，需要解決兩大難題。首先，即使在沒(méi)有噪聲干擾的情況下，精確描述量子優(yōu)勢(shì)本身就是一項(xiàng)艱巨任務(wù)。其次，噪聲在量子計(jì)算問(wèn)題中的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，這直接阻礙了在含噪聲情況下對(duì)量子優(yōu)勢(shì)研究的進(jìn)展。

魏朝暉和合作者近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)聯(lián)生成模型可為量子優(yōu)勢(shì)的理論研究提供全新視角。這是一個(gè)可對(duì)量子優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)精確量化的理論模型，為研究噪聲如何影響量子優(yōu)勢(shì)提供了可能。基于關(guān)聯(lián)生成模型，團(tuán)隊(duì)成功刻畫(huà)了逐漸增強(qiáng)的噪聲影響量子優(yōu)勢(shì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。為此，團(tuán)隊(duì)深入研究了較強(qiáng)噪聲對(duì)此類(lèi)模型可達(dá)性的影響，同時(shí)也對(duì)較弱噪聲如何影響量子協(xié)議的代價(jià)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算研究中意外發(fā)現(xiàn)了一種奇特現(xiàn)象：當(dāng)量子信息處理協(xié)議中的噪聲強(qiáng)度突破某個(gè)閾值時(shí)，原本非常明顯的量子優(yōu)勢(shì)可能會(huì)突然消亡。這一發(fā)現(xiàn)與人們通常認(rèn)為的量子計(jì)算機(jī)性能會(huì)隨著噪聲增加而逐漸下降的直覺(jué)相悖。通過(guò)對(duì)此現(xiàn)象的深入分析，研究人員進(jìn)一步對(duì)量子優(yōu)勢(shì)何時(shí)會(huì)突然消亡提供了完整數(shù)學(xué)描述。這是學(xué)術(shù)界在量子計(jì)算中首次發(fā)現(xiàn)噪聲造成量子優(yōu)勢(shì)突然消亡的現(xiàn)象，以一個(gè)全新視角揭示了噪聲對(duì)量子計(jì)算的巨大危害。

這一發(fā)現(xiàn)表明，在量子信息處理中，噪聲的危害可能以一種更為劇烈的方式顯現(xiàn)。研究人員需要繼續(xù)深入探索，以加強(qiáng)對(duì)這一量子計(jì)算關(guān)鍵問(wèn)題的理解。此外，即使未來(lái)量子計(jì)算獲得廣泛應(yīng)用，深刻理解噪聲對(duì)量子優(yōu)勢(shì)的影響仍然至關(guān)重要。它能指導(dǎo)人們?nèi)绾胃行实夭渴鸪杀靖甙旱牧孔蛹m錯(cuò)機(jī)制。（ 記者都芃）