科学家创新多体纠缠度量方法优化量子计算机的量子电路
发布时间：2026-02-12
信息来源：中国科学报
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中国科学院理论物理研究所研究员苏刚与该所彭桓武理论物理创新研究中心青年访问科学家、首都师范大学教授冉仕举等合作，提出一种新的多体纠缠度量方法，通过分析多体纠缠熵与保真度的标度关系来优化量子电路。这一工作将量子纠缠、张量网络与实现量子计算结合起来，兼具重要理论价值与广阔应用前景。相关研究成果近日发表于《物理评论快报》。
量子电路是量子计算机中专门用来执行各类量子计算任务的关键。当前，量子电路面临诸多技术挑战。其中，在量子态制备环节如何节省资源，如减少量子门操作的数量、降低电路的复杂程度（即电路深度），是亟待解决的关键科学问题，也是推动量子计算走向实用化的重要前提。
不过，制备特定的量子态过程需要“平衡”——量子电路太浅了，量子态制备不准；太深了又浪费资源。那么，量子电路到底需要多深才算“刚刚好”？
科研人员介绍，对于复杂的量子系统，强大的数学工具张量网络可以提供理解多体纠缠的新视角。基于张量网络，团队创新性地将矩阵乘积态作为参考流形，提出了一种全新的多体纠缠度量方法，并引入了新的物理量——特定χ矩阵乘积纠缠（χ-MPE）。其核心思想是，χ-MPE将目标量子状态与“最优”的张量网络状态进行比较。这里的“最优”是指目标状态与具有特定虚拟维度χ的MPS流形之间的最小保真距离。
团队进一步将χ-MPE与变分量子电路的“深度”联系起来。研究发现，χ-MPE与量子电路制备目标状态的保真度（衡量制备出的状态与目标状态有多接近）之间存在奇妙的标度关系。
科研人员表示，χ-MPE创新性提供了一种量化多体纠缠的新颖且可控的方式，与张量网络紧密结合，为理解复杂量子系统提供了新工具。通过分析χ-MPE与保真度的标度关系，可以直接判断当前变分量子电路的深度是否最优，指导量子算法的设计和优化，降低资源消耗，提高量子计算效率和鲁棒性，从而使其成为一件量子电路优化的利器。
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