北京大学物理学院杨志成课题组揭示量子纠缠为量子“魔法”开辟高效通道

在量子世界里，量子纠缠与量子非稳定子性（non-stabilizerness，也被称作量子“魔法”quantum magic）是量子信息科学中的两大核心资源，想要实现真正的通用量子计算、解锁量子优势，二者缺一不可。量子纠缠是量子世界区别于经典世界的标志性特征，就像一对“心有灵犀”的粒子，无论相隔多远，状态都会瞬间关联，但仅靠纠缠还不足以实现强大的量子计算——有些量子态纠缠程度很高，却依然能被经典计算机轻松模拟，无法发挥量子计算的独特优势。而量子“魔法”，正是量子态或量子操作中超出经典模拟能力的关键部分，是实现通用量子计算不可或缺的核心资源。

长期以来，科研人员虽知晓这两种量子资源的重要性，却一直未能清晰揭示二者间的内在关联。近日，北京大学物理学院杨志成课题组的研究带来了突破性发现：量子纠缠能够为量子魔“法”的注入打开一条高效通道，让我们从量子门中提取“魔法”资源变得更加高效。研究团队通过巧妙设计的模型，严格证明了量子系统初始的纠缠程度越高，能够注入的量子“魔法”资源就越多，二者呈现清晰的线性关联。更令人惊喜的是，预先构建的量子纠缠，还能让原本分散向两个子系统注入“魔法”的效果，直接等同于一次性向整个系统注入全局“魔法”，这一神奇效应的背后，正是量子门隐形传态机制在发挥作用——量子纠缠如同一条隐形的高速通道，能将局部量子门中蕴藏的“魔法”资源，快速且均匀地分布到整个量子系统中，大幅提升资源利用效率。

图1. (a) Haar随机幺正门作用于仅含有纠缠但不含有量子magic的初态，向其注入魔法资源。(b) 初态中的纠缠使得分别向两个子系统中注入magic的效果等同于一个全局的量子门。(c) 量子门隐形传态(gate teleportation)：量子纠缠为魔法资源注入提供了一条额外的通路，使局域量子门中蕴含的资源能够更有效地分布到整个系统中

为了更精准地衡量量子门中蕴藏的“魔法”资源，研究团队还提出了全新的物理量——幺正稳定子 Rényi熵（unitary stabilizer Renyi entropy），这一指标比以往的衡量标准更加精准，不仅能清晰刻画量子门的“魔法”含量，同时为制备量子门所需的基础组件——单比特T门数量提供参考，还能对量子门注入“魔法”资源的潜力提供更优的估计。这项研究首次定量揭示了量子纠缠与量子“魔法”两类核心量子资源间的深刻联系，为理解量子多体系统中“魔法”资源的动力学过程，以及未来高效设计量子线路、推动通用量子计算的发展提供了全新思路与重要理论支撑。