科技日报记者 都芃
多年来，人类一直有一个宏大的目标：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到噪声的干扰，削弱了量子计算相对于传统计算的优势。克服这一难题的关键理论问题之一，是研究噪声如何影响甚至摧毁量子计算的优势。
不久前，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以及丘成桐数学科学中心博士生邵钰菓组成的科研团队在量子计算优势理论研究中取得重要进展。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。相关成果发表于学术期刊《科学·进展》（Science Advances）。
魏朝晖团队在量子计算研究中意外发现了一种奇特的现象，即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。这一发现与我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的数学描述。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，从而以一个全新的视角揭示了噪声对量子计算的巨大危害。
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，导致量子优势的彻底消失。然而，当噪声较弱时，情况要复杂许多。特别是，在一个优秀的量子算法中，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？在量子计算被大规模工程应用之前，理解这个动态过程至关重要，但直到目前为止，人们对此问题的认识还十分有限。
刻画此类动态过程，需要克服两个显著的困难。首先，即使在没有噪声干扰的情况下，精确地描述量子优势本身就是一项艰巨的任务。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，关联生成模型可以为量子优势的理论研究提供一个全新的视角。这是一个宝贵的可以对量子优势实现精确量化的理论模型，也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，魏朝晖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。
基于对上述动态过程的成功刻画，团队发现了噪声造成量子优势突然消亡的现象。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。因此，我们迫切需要继续深入探索，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，它能够指导人们如何更有效率地部署成本高昂的量子纠错机制。这项工作为研究噪声对量子优势的影响而提供的全新研究视角和工具，值得进一步深入探索。
