噪声会导致量子优势突然消亡

记者12月26日获悉，由清华大学丘成桐数学科学中心助理教授魏朝晖、交叉信息研究院博士生孙维孝、丘成桐数学科学中心博士生魏付川及邵钰菓组成的科研团队在量子计算研究方面取得重要进展。团队成功刻画了逐步增强的噪声影响量子优势的完整动态过程，并意外发现噪声会导致量子优势突然消亡的特殊现象。相关论文发表于《科学进展》。

多年来，人类一直有个宏大的目标：建造大规模的量子计算机，以实现计算能力的跨越式发展。当下，在实现这一目标的道路上还存在很多阻碍，其中之一便是量子信息的脆弱性使其易受噪声干扰，削弱了量子计算相对于传统计算的优势。噪声指的是在量子计算过程中出现的会干扰和影响量子信息处理的不确定因素，包括环境干扰、测量误差、量子门操作的不准确性等。研究噪声如何影响甚至摧毁量子计算的优势，是量子计算关键的理论研究方向之一。

人们很早就意识到，过强的噪声会导致量子计算可以被经典计算快速模拟，进而导致量子优势彻底消失。然而，当噪声较弱时，情况要复杂许多。在一个优秀的量子算法中，噪声的影响尤为显著。如果噪声强度从零开始缓慢增加，如何精确刻画其影响量子优势的动态过程？量子计算要实现大规模工程应用，理解这个动态过程至关重要，但人们对这个问题的认识还十分有限。

刻画这个动态过程，需要解决两大难题。首先，即使在没有噪声干扰的情况下，精确描述量子优势本身就是一项艰巨任务。其次，噪声在量子计算问题中的数学结构十分复杂，这直接阻碍了在含噪声情况下对量子优势研究的进展。

魏朝晖和合作者近年来研究发现，关联生成模型可为量子优势的理论研究提供全新视角。这是一个可对量子优势实现精确量化的理论模型，为研究噪声如何影响量子优势提供了可能。基于关联生成模型，团队成功刻画了逐渐增强的噪声影响量子优势的动态过程。为此，团队深入研究了较强噪声对此类模型可达性的影响，同时也对较弱噪声如何影响量子协议的代价进行了详细分析。

团队在量子计算研究中意外发现了一种奇特现象：当量子信息处理协议中的噪声强度突破某个阈值时，原本非常明显的量子优势可能会突然消亡。这一发现与人们通常认为的量子计算机性能会随着噪声增加而逐渐下降的直觉相悖。通过对此现象的深入分析，研究人员进一步对量子优势何时会突然消亡提供了完整数学描述。这是学术界在量子计算中首次发现噪声造成量子优势突然消亡的现象，以一个全新视角揭示了噪声对量子计算的巨大危害。

这一发现表明，在量子信息处理中，噪声的危害可能以一种更为剧烈的方式显现。研究人员需要继续深入探索，以加强对这一量子计算关键问题的理解。此外，即使未来量子计算获得广泛应用，深刻理解噪声对量子优势的影响仍然至关重要。它能指导人们如何更有效率地部署成本高昂的量子纠错机制。( 记者都芃)