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香港大學（港大）工程學院研究團隊在「量子糾纏」研究方面取得重大突破。研究人員發現，「量子糾纏」雖然長期以來被視為量子模擬的主要障礙，但其實際上能夠加速量子模擬，並可成為強大的資源。此項開創性的研究已獲國際學術期刊《自然·物理學》（Nature Physics）作為封面文章發表，題為「量子糾纏加速模擬」（Entanglement accelerates quantum simulation）。

模擬物質的動態演化是理解宇宙的基礎，卻也是物理和化學領域最具挑戰性的任務之一。數十年來，「量子糾纏」——量子粒子之間複雜的關聯——一直被視為難以克服的障礙。在傳統計算中，高糾纏度會使模擬難度呈指數級上升，成為研究複雜量子系統的主要瓶頸。

由港大計算與數據科學學院趙琦教授領導的研究團隊，聯同復旦大學的周游教授和馬里蘭大學的 Andrew M. Childs 教授，推翻了這一長期存在的看法。他們發現，雖然量子糾纏會阻礙傳統電腦的運算，但卻能大幅提升量子模擬的效率，使原本的障礙轉化為強大的資源。

傳統模擬方法，如矩陣乘積態（MPS）和矩陣乘積算符（MPO），已相當成熟且被廣泛應用於模擬量子動力學。然而，它們存在根本性限制：無法有效處理高糾纏度的系統，因為在這種情況下，計算成本會急劇飆升。相比之下，量子模擬器長期以來雖被視為模擬動態演化的未來解決方案，但過去人們普遍認為其效能與系統的糾纏度無關。

這項研究證明事實恰恰相反。趙教授的團隊發現，當系統存在糾纏時，量子模擬方法反而變得更高效。這一反直覺的發現顯示，量子計算在處理高糾纏問題時的優勢，比原先預期的更為顯著。

趙琦教授解釋：「傳統電腦害怕量子糾纏，但我們證明量子電腦其實『喜歡』它。高量子糾纏度意味著量子電腦比傳統電腦擁有更大的優勢，使『量子優勢』的實現變得更加觸手可及。」

基於此發現，團隊進一步開發出「自適應模擬協議」，透過實時測量估算模擬過程中的誤差，讓演算法能自動優化，且幾乎不增加額外成本。這項研究徹底改變了量子資源的應用方式——糾纏不再只是量子力學的特徵或理論概念，而是能實際提升計算效率的工具，同時為未來高效量子計算的應用提供了關鍵理論基礎。

趙教授補充道：「我們最初僅是希望釐清糾纏與量子模擬效能的關係，卻未曾預料到能推導出如此簡潔優美的物理公式。原本被視為計算障礙的複雜糾纏，竟是提升模擬效率的關鍵。這正是基礎研究的魅力所在——透過對基本原理的探索，我們能打破既有認知的邊界，為未來的技術突破開闢全新的路徑。」

展望未來，研究團隊計劃深入探索糾纏加速在實際領域的具體影響。趙教授指出，這項機制可大幅提升材料科學、高能物理和化學反應模擬的效率，有望推動更高效電池、催化劑和藥物研發，而這些領域的關鍵正是理解複雜量子的交互作用。

文章連接：https://doi.org/10.1038/s41567-025-02945-2

關於趙琦教授
趙教授於2014年和2018年分別獲得清華大學的學士和博士學位。2019年，他在中國科學技術大學擔任博士後研究員，及後在美國馬里蘭大學擔任Hartree博士後研究員，並於2022年加入港大，擔任助理教授。2024年入選《麻省理工科技評論》亞太地區“35歲以下科技創新35人”。

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