Quantum breakthrough: ‘Magic states’ now easier, faster, and way less noisy

数十年来，量子计算机能执行比传统计算机快数百万倍的计算，这始终是一个诱人却遥不可及的目标。然而，量子物理学的一项新突破可能刚刚加速了这一时间表。

在发表于《PRX Quantum》期刊的一篇文章中，来自大阪大学工程科学研究生院及量子信息与量子生物学中心的研究人员提出了一种方法，可用于制备高保真度的“魔幻态”（magic states），以供量子计算机使用。该方法显著减少了资源开销，并实现了前所未有的精度。

量子计算机利用量子力学的非凡特性（如纠缠和叠加），能比经典计算机更高效地执行计算。此类机器可能催化工程、金融和生物技术等不同领域的创新。但在实现之前，有一个重大障碍必须克服。

「量子系统一直极易受噪声影响，」首席研究员糸川智弘（Tomohiro Itogawa）表示。「即使温度最轻微的扰动，或来自外部源的单个杂散光子，都极易破坏量子计算机设置，使其失效。噪声绝对是量子计算机的头号敌人。」

因此，科学家们对构建所谓的容错量子计算机产生了浓厚兴趣，这类计算机足够稳健，即使在噪声干扰下也能持续精确计算。魔幻态蒸馏（magic state distillation）——即从众多含噪量子态中制备出单个高保真量子态——是创建此类系统的常用方法。但这存在一个难点。

「魔幻态蒸馏传统上是一个计算开销非常大的过程，因为它需要大量量子比特，」资深作者藤井启祐（Keisuke Fujii）解释道。「我们想探索是否有任何方法能加速制备量子计算所需的高保真态。」

沿着这一研究思路，该团队受到启发，创建了魔幻态蒸馏的「零级」（"level-zero"）版本。该方法在物理量子比特或「零级」层面开发容错电路，而非在更高、更抽象的层级上进行。与数值模拟中的传统方法相比，这种新方法所需量子比特数量大幅减少，并且空间与时间开销降低了约数十倍。

糸川和藤井乐观地认为，量子计算时代并非如我们想象的那般遥远。无论称之为魔幻还是物理，这项技术无疑标志着朝着开发能抵御噪声的大规模量子计算机迈出了重要一步。