伪魔法量子态在计算上与随机量子态无法区分。图片来源：Andi Gu et al/PRL。10.1103/PhysRevLett.132.210602。
《物理评论快报》（PRL）上的一项新研究引入了伪魔法量子态的概念，它似乎具有很高的稳定性（或复杂性），可以使我们更接近实现量子霸权。
量子霸权或量子优势是量子计算机模拟或运行经典计算机无法模拟或运行的计算的能力（由于其计算能力有限）。
实现通用量子计算是量子计算机能够执行任何任意量子计算的能力，而量子霸权是其核心。
新的PRL研究探索了非稳定状态或神奇状态。这些是量子态，允许在经典计算机上无法有效模拟的量子计算。这种复杂性赋予了量子计算机潜在的力量。
Phys.org 与该论文的合著者、哈佛大学博士生Andi Gu和柏林自由大学博士后研究员Lorenzo Leone博士进行了交谈。
“理解我们研究的出发点是量子计算比经典计算更强大。在量子计算中，术语非稳定性或魔力是指量子态所拥有的非经典资源的度量，“顾解释说。
稳定剂与非稳定剂量子态每个量子系统都可以表示为一个量子态，一个包含有关系统的所有信息的数学方程。
稳定器态是一种量子态，可以在经典计算机上有效模拟（或执行）。
“这些状态，以及一组称为稳定器操作的受限量子操作，形成了一个经典的可模拟框架。然而，仅靠稳定器状态和操作还不足以实现通用量子计算，“Leone博士解释说。
为了执行真正的量子计算并超越经典能力，需要非稳定状态。这些状态可以使量子计算机执行经典计算机无法执行的任务。然而，主要挑战之一是构建这些魔法状态。
非稳定态的构建本身就具有挑战性，因为它们需要更复杂的量子运算。
“在这种情况下，最好将非稳定性视为一种资源，因为它对于实现量子优势至关重要。量子态具有的非稳定性越多，它作为量子计算资源的影响力就越大，“顾解释说。
伪魔法状态研究人员通过引入伪魔法量子态的概念找到了解决这一挑战的方法。
伪魔法量子态似乎具有非稳定态（复杂性和非经典运算）的特性，但在计算上与随机量子态没有区别，至少对于计算资源有限的观察者来说是这样。
简单来说，这意味着伪魔法量子态看起来像魔法态，但构造起来要简单得多。特别是对于拥有不那么强大的计算机的人来说，伪魔法量子态与随机量子态是无法区分的。
“这种无法区分的原因是，有效地区分伪魔法状态和真正的魔法状态需要指数级的计算资源，这使得任何现实的观察者都不可行，”莱昂博士说。
Gu补充说：“正如伪随机数生成器产生的序列对计算有限的经典观察者来说似乎是随机的一样，伪魔法状态被设计成对计算有界的量子观察者来说显得高度不稳定。
奠定基础在六个定理的过程中，研究人员奠定了伪魔法状态的理论基础及其对量子计算应用的影响。
他们构建伪魔法状态的方式是，它们的实际和表面的非稳定性之间的差距是可调的。
“这意味着我们可以创建似乎是量子计算的强大资源的状态，即使它们并不像看起来那样资源密集，”Leone博士解释说。
该框架的核心围绕着稳定器熵的概念展开。这是对量子系统非稳定性（或复杂性）的衡量。
稳定器熵的独特之处在于，与其他非稳定性测量不同，它在计算上消耗较少。
对量子计算应用的影响研究人员专注于伪魔法状态可能产生影响的三个领域，首先是量子密码学。
根据这项研究，伪魔法状态引入了一种基于EFI（或有效可处理，统计上很远，但计算上无法区分）对的量子密码学的新协议。
这些对可以提高数据通信的安全性，并且可以使用伪魔术状态进行构造。
研究人员还表明，伪魔法状态可以为量子混沌和加扰提供新的见解，这对于理解复杂量子系统的行为和量子信息的传播非常重要。
“通过证明量子态的表观魔力可能不同于其实际魔力，我们的工作强调了在研究量子系统及其应用时需要考虑现实的、计算有限的观察者的局限性，”Gu解释说。
最后，他们还证明，伪魔术状态可用于使用称为魔术状态蒸馏的过程来构建更有效的容错量子计算机。
魔态蒸馏本质上是一种纯化过程，可提高魔态的保真度，使其更适合用于量子算法和纠错方案。
研究人员希望在未来探索量子信息论中伪魔法状态与概念之间的关系。此外，他们希望探索使用现有和近期量子器件实现伪魔法状态的实验实现。
“这可能会导致利用这些状态的独特特性的实际应用的发展，”Leone博士总结道。
更多信息：Andi Gu 等人，伪魔法量子态，物理评论快报 （2024）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.132.210602.journals.aps.org/prl/abstract/......ysRevLett.132.210602 在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2308.16228
期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv
