多年來，人類一直有一個(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到噪聲的干擾，削弱了量子計(jì)算相對(duì)于傳統(tǒng)計(jì)算的優(yōu)勢。克服這一難題的關(guān)鍵理論問題之一，是研究噪聲如何影響甚至摧毀量子計(jì)算的優(yōu)勢。
不久前，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)中心博士生魏付川以及丘成桐數(shù)學(xué)科學(xué)中心博士生邵鈺菓組成的科研團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算優(yōu)勢理論研究中取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)成功刻畫了逐步增強(qiáng)的噪聲影響量子優(yōu)勢的完整動(dòng)態(tài)過程，并意外發(fā)現(xiàn)噪聲會(huì)導(dǎo)致量子優(yōu)勢突然消亡的特殊現(xiàn)象。相關(guān)成果發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）。
魏朝暉團(tuán)隊(duì)在量子計(jì)算研究中意外發(fā)現(xiàn)了一種奇特的現(xiàn)象，即當(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)勢可能會(huì)突然消亡。這一發(fā)現(xiàn)與我們通常認(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相悖。通過對(duì)此現(xiàn)象的深入分析，研究人員進(jìn)一步對(duì)量子優(yōu)勢何時(shí)會(huì)突然消亡提供了完整的數(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)勢突然消亡的現(xiàn)象，從而以一個(gè)全新的視角揭示了噪聲對(duì)量子計(jì)算的巨大危害。
人們很早就意識(shí)到，過強(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，導(dǎo)致量子優(yōu)勢的徹底消失。然而，當(dāng)噪聲較弱時(shí)，情況要復(fù)雜許多。特別是，在一個(gè)優(yōu)秀的量子算法中，如果噪聲強(qiáng)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(dòng)態(tài)過程？在量子計(jì)算被大規(guī)模工程應(yīng)用之前，理解這個(gè)動(dòng)態(tài)過程至關(guān)重要，但直到目前為止，人們對(duì)此問題的認(rèn)識(shí)還十分有限。
刻畫此類動(dòng)態(tài)過程，需要克服兩個(gè)顯著的困難。首先，即使在沒有噪聲干擾的情況下，精確地描述量子優(yōu)勢本身就是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。其次，噪聲在量子計(jì)算問題中的數(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)勢研究的進(jìn)展。
魏朝暉和合作者近年來研究發(fā)現(xiàn)，關(guān)聯(lián)生成模型可以為量子優(yōu)勢的理論研究提供一個(gè)全新的視角。這是一個(gè)寶貴的可以對(duì)量子優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)精確量化的理論模型，也為研究噪聲如何影響量子優(yōu)勢提供了可能。基于關(guān)聯(lián)生成模型，魏朝暉團(tuán)隊(duì)成功刻畫了逐漸增強(qiáng)的噪聲影響量子優(yōu)勢的動(dòng)態(tài)過程。為此，團(tuán)隊(duì)深入研究了較強(qiáng)噪聲對(duì)此類模型可達(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。
基于對(duì)上述動(dòng)態(tài)過程的成功刻畫，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了噪聲造成量子優(yōu)勢突然消亡的現(xiàn)象。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)。因此，我們迫切需要繼續(xù)深入探索，以加強(qiáng)對(duì)這一量子計(jì)算關(guān)鍵問題的理解。此外，即使未來量子計(jì)算獲得廣泛應(yīng)用，深刻理解噪聲對(duì)量子優(yōu)勢的影響仍然至關(guān)重要，它能夠指導(dǎo)人們?nèi)绾胃行实夭渴鸪杀靖甙旱牧孔蛹m錯(cuò)機(jī)制。這項(xiàng)工作為研究噪聲對(duì)量子優(yōu)勢的影響而提供的全新研究視角和工具，值得進(jìn)一步深入探索。
編輯：李華山
