量子突破：'魔幻态'制备难度降低、速度提升、噪音显著减少

数十年来，量子计算机——其计算速度比传统计算机快数百万倍——一直是一个诱人却又遥远的目标。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，大阪大学工学研究生院及量子信息和量子生物学中心的研究人员设计了一种方法，可用于制备高保真“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，并达到了前所未有的精度。

量子计算机利用量子力学的非凡特性（如纠缠和叠加）进行计算，其效率远超经典计算机。此类机器可能催化工程、金融和生物技术等多个领域的创新。但在实现之前，有一个必须克服的重大障碍。

首席研究员糸川智弘（Tomohiro Itogawa）表示：“量子系统一直极易受噪声干扰。即使是温度最轻微的扰动，或来自外部源的单个杂散光子，都可能轻易破坏量子计算机装置，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，这类设备足够稳健，即使在噪声干扰下也能持续进行精确计算。魔幻态蒸馏是创建此类系统的常用方法，即从多个含噪量子态中制备出单个高保真量子态。但存在一个难点。

资深作者藤井启祐（Keisuke Fujii）解释道：“传统上，魔幻态蒸馏是一个计算成本极高的过程，因为它需要大量量子比特。我们想探索是否有任何方法可以加速量子计算所需的高保真态制备过程。”

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”版本——在物理量子比特或“零级”层面开发容错电路，而非在更高、更抽象的层面。除了所需量子比特数量大幅减少外，数值模拟显示，与传统方法相比，这项新技术使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样遥远。无论称之为魔幻态还是物理现象，这项技术无疑标志着向开发能抵御噪声的大规模量子计算机迈出了重要一步。