噪聲會導致量子優(yōu)勢突然消亡

記者2024年12月26日獲悉，由清華大學丘成桐數(shù)學科學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)學科學中心博士生魏付川及邵鈺菓組成的科研團隊在量子計算研究方面取得重要進展。團隊成功刻畫了逐步增強的噪聲影響量子優(yōu)勢的完整動態(tài)過程，并意外發(fā)現(xiàn)噪聲會導致量子優(yōu)勢突然消亡的特殊現(xiàn)象。相關論文發(fā)表于《科學進展》。

多年來，人類一直有個宏大的目標：建造大規(guī)模的量子計算機，以實現(xiàn)計算能力的跨越式發(fā)展。當下，在實現(xiàn)這一目標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，削弱了量子計算相對于傳統(tǒng)計算的優(yōu)勢。噪聲指的是在量子計算過程中出現(xiàn)的會干擾和影響量子信息處理的不確定因素，包括環(huán)境干擾、測量誤差、量子門操作的不準確性等。研究噪聲如何影響甚至摧毀量子計算的優(yōu)勢，是量子計算關鍵的理論研究方向之一。

人們很早就意識到，過強的噪聲會導致量子計算可以被經(jīng)典計算快速模擬，進而導致量子優(yōu)勢徹底消失。然而，當噪聲較弱時，情況要復雜許多。在一個優(yōu)秀的量子算法中，噪聲的影響尤為顯著。如果噪聲強度從零開始緩慢增加，如何精確刻畫其影響量子優(yōu)勢的動態(tài)過程？量子計算要實現(xiàn)大規(guī)模工程應用，理解這個動態(tài)過程至關重要，但人們對這個問題的認識還十分有限。

刻畫這個動態(tài)過程，需要解決兩大難題。首先，即使在沒有噪聲干擾的情況下，精確描述量子優(yōu)勢本身就是一項艱巨任務。其次，噪聲在量子計算問題中的數(shù)學結(jié)構(gòu)十分復雜，這直接阻礙了在含噪聲情況下對量子優(yōu)勢研究的進展。

魏朝暉和合作者近年來研究發(fā)現(xiàn)，關聯(lián)生成模型可為量子優(yōu)勢的理論研究提供全新視角。這是一個可對量子優(yōu)勢實現(xiàn)精確量化的理論模型，為研究噪聲如何影響量子優(yōu)勢提供了可能。基于關聯(lián)生成模型，團隊成功刻畫了逐漸增強的噪聲影響量子優(yōu)勢的動態(tài)過程。為此，團隊深入研究了較強噪聲對此類模型可達性的影響，同時也對較弱噪聲如何影響量子協(xié)議的代價進行了詳細分析。

團隊在量子計算研究中意外發(fā)現(xiàn)了一種奇特現(xiàn)象：當量子信息處理協(xié)議中的噪聲強度突破某個閾值時，原本非常明顯的量子優(yōu)勢可能會突然消亡。這一發(fā)現(xiàn)與人們通常認為的量子計算機性能會隨著噪聲增加而逐漸下降的直覺相悖。通過對此現(xiàn)象的深入分析，研究人員進一步對量子優(yōu)勢何時會突然消亡提供了完整數(shù)學描述。這是學術界在量子計算中首次發(fā)現(xiàn)噪聲造成量子優(yōu)勢突然消亡的現(xiàn)象，以一個全新視角揭示了噪聲對量子計算的巨大危害。

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，以加強對這一量子計算關鍵問題的理解。此外，即使未來量子計算獲得廣泛應用，深刻理解噪聲對量子優(yōu)勢的影響仍然至關重要。它能指導人們?nèi)绾胃行实夭渴鸪杀靖甙旱牧孔蛹m錯機制。