《物理评论快报》(PRL)的一项新研究引入了伪魔量子态的概念，它似乎具有很高的稳定剂(或复杂性)，可以让我们更接近实现量子霸权。

量子霸权或量子优势是指量子计算机模拟或运行传统计算机无法进行的计算的能力(由于其计算能力有限)。

实现通用量子计算就是量子计算机能够进行任意量子计算的能力，量子霸权是其核心。

PRL的新研究探索了非稳定状态或魔法状态。这些量子状态允许进行传统计算机无法有效模拟的量子计算。这种复杂性正是量子计算机的潜在能力所在。

Phys.org采访了该论文的共同作者、哈佛大学博士生AndiGu和柏林自由大学博士后研究员LorenzoLeone博士。

“理解我们研究的起点是量子计算比经典计算更强大。在量子计算中，术语非稳定器或魔法是指量子态所拥有的非经典资源的量度，”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，即包含有关该系统的所有信息的数学方程。

稳定状态是一种可以在经典计算机上有效模拟(或执行)的量子状态。

“这些状态——连同一组称为稳定器操作的受限量子操作——形成了一个经典可模拟框架。然而，仅靠稳定器状态和操作不足以实现通用量子计算，”Leone博士解释说。

要执行真正量子化且超越经典能力的计算，需要非稳定态。这些状态可以让量子计算机执行传统计算机无法完成的任务。然而，主要挑战之一是构建这些魔法状态。

非稳定状态的构建本身就具有挑战性，因为它们需要更复杂的量子操作。

“在这种情况下，非稳定剂最好被视为一种资源，因为它对于实现量子优势至关重要。量子态的非稳定剂越多，它作为量子计算的资源就越强大，”顾解释说。

伪魔法状态

研究人员通过引入伪魔量子态的概念找到了解决这一难题的方法。

伪魔量子态似乎具有非稳定态(复杂性和非经典操作)的性质，但在计算上与随机量子态无法区分，至少对于计算资源有限的观察者而言是这样。

简单来说，这意味着伪魔量子态看起来就像魔态，但构造起来却简单得多。尤其是对于计算机性能不那么强大的人而言，伪魔量子态与随机量子态难以区分。

“这种难以区分性源于这样一个事实：有效区分伪魔法状态和真正的魔法状态需要大量的计算资源，这对于任何现实的观察者来说都是不可行的，”Leone博士说。

顾补充道：“就像伪随机数生成器产生的序列对于计算能力有限的经典观察者来说似乎是随机的一样，伪魔态被设计成对于计算能力有限的量子观察者来说显得非常不稳定。”

奠定基础

通过六条定理，研究人员阐述了伪魔态的理论基础及其对量子计算应用的影响。

他们构建了伪魔法状态，使得其实际非稳定状态和明显的非稳定状态之间的差距是可调的。

Leone博士解释说：“这意味着我们可以创造出看似是量子计算强大资源的状态，尽管它们并不像看起来那么耗费资源。”

这个框架的核心围绕稳定器熵的概念。这是对量子系统非稳定器性(或复杂性)的度量。

稳定剂熵的独特之处在于，与其他非稳定剂测量不同，它的计算耗费更少。

对量子计算应用的影响

研究人员重点关注了伪魔法态可能产生影响的三个领域，首先是量子密码学。

根据研究，伪魔态为基于EFI(即有效可准备、统计上远但计算上无法区分)对的量子密码学引入了一种新协议。

这些对可以提高数据通信的安全性，并且可以使用伪魔态来构建。

研究人员还表明，伪魔态可以为量子混沌和扰乱提供新的见解，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。

顾解释说：“通过证明量子态的表观魔力可能与其实际魔力不同，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、计算能力有限的观察者的局限性。”

最后，他们还证明，可以使用一种称为魔法状态蒸馏的过程，利用伪魔法状态来构建更高效的容错量子计算机。

魔法态蒸馏本质上是一个净化过程，它提高了魔法态的保真度，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赝魔态与量子信息论中的概念之间的关系。此外，他们还希望利用现有和近期的量子设备探索赝魔态的实验实现。

Leone博士总结道：“这可能促进开发利用这些状态的独特属性的实际应用。”