量子计算新突破：HOLO微云全息利用矩阵积态实现镜像对称概率分布的高精度量子态制备

2025/12/11 15:32:34

近年来，量子计算的发展日新月异，为物理学、金融工程和机器学习等领域带来了颠覆性的变革。在众多量子算法中，如何高效地将概率分布加载到量子态是一个核心问题，直接影响到量子计算的准确性与可行性。近期，一项革命性的技术突破引起了广泛关注：微云全息(NASDAQ: HOLO)提出了一种基于矩阵积态（Matrix Product States, MPS）的新方法，能够实现镜像对称概率分布的高精度量子态制备。这项研究不仅减少了概率分布的纠缠，还显著提高了矩阵积态近似的精度，使得计算效率提升了两个数量级。

这一新技术采用了浅量子电路设计，主要由最近邻量子比特门组成，并且具有量子比特数的线性可扩展性，极大地提升了在当前嘈杂量子设备上的可行性。此外，研究发现，在张量网络中，近似精度主要取决于键维数（bond dimension），而对量子比特数的依赖最小，为未来的规模化推广奠定了基础。这一研究不仅在理论上提供了创新性的优化方法，同时在实验测试中展现出了优越的精度表现，预示着量子计算在实际应用中的广阔前景。

概率分布在量子计算中扮演着关键角色。许多量子算法都依赖于概率分布的高效加载，例如量子蒙特卡洛方法、量子金融建模、量子机器学习等。然而，传统的概率分布加载方式往往面临较高的纠缠度，使得量子电路的深度迅速增长，导致计算效率下降，并增加了量子噪声的影响。

微云全息基于矩阵积态（MPS）构建量子态，并利用镜像对称性（Mirror Symmetry）来优化概率分布的加载方式。镜像对称性意味着概率分布在一定程度上可以通过对称变换来减少冗余信息，从而降低系统的纠缠度。这一优化方法使得在浅量子电路中可以更高效地实现量子态制备，特别适用于当前中等规模的嘈杂量子计算机（Noisy Intermediate-Scale Quantum, NISQ）。

MPS是一种常用于量子信息和计算的张量网络模型，它能够以低秩分解的形式表示高维概率分布，从而降低计算复杂度。通过利用镜像对称性，该研究成功地减少了冗余参数，使得MPS的近似精度提升了两个数量级。这意味着，在相同的计算资源条件下，该方法可以比现有的MPS方法更精确地加载概率分布，从而提高量子算法的整体性能。

微云全息该方法的另一个核心优势在于其优化后的浅量子电路设计。传统的量子态制备方法通常需要深量子电路，涉及大量的全局门操作（global gate operations），导致噪声积累，并对当前的NISQ设备造成严重挑战。

该研究采用了一种新颖的量子电路设计，主要由最近邻量子比特门（nearest-neighbor qubit gates）组成。这种设计方式具有以下优势：

降低电路深度：通过减少全局门操作，避免了复杂的非局部纠缠操作，使得电路更容易在当前的量子硬件上执行。

提高计算稳定性：由于嘈杂量子设备的误差随着电路深度的增加而加剧，使用较浅的电路可以减少误差积累，提高计算精度。

线性可扩展性：该方法的计算复杂度仅随量子比特数线性增长，使得该技术可以适应更大规模的量子系统。

该方法在同等硬件条件下，能够比现有基于矩阵积态的量子态制备方法提高精度两个数量级，且计算时间显著缩短，为大规模量子计算应用奠定了基础。

利用MPS进行量子态制备的核心思想是将高维概率分布表示为低秩张量分解，从而减少计算量并优化存储结构。

低纠缠度表示：由于量子态的纠缠度决定了计算难度，MPS方法通过低秩近似减少了计算复杂度，使得量子态更容易在量子硬件上实现。

适用于高维概率分布：MPS方法特别适用于高维概率分布的压缩和存储，使其成为量子金融、量子机器学习等领域的理想工具。

计算复杂度可控：相比于传统的全局量子态制备方法，MPS方法能够控制计算复杂度，并在不同的量子比特规模下维持较高的计算精度。

此外，微云全息该方法仍然面临一些挑战。例如，MPS的精度在一定程度上取决于键维数（bond dimension），而键维数的增加会带来额外的计算成本。因此，在实际应用中，需要权衡计算精度和计算资源之间的关系，以获得最佳性能。此外，不同的量子硬件架构可能对MPS方法的实现产生影响，因此未来的研究可以进一步优化MPS的实现方式，使其适应更多类型的量子计算平台。

微云全息(NASDAQ: HOLO)提出的基于矩阵积态的镜像对称概率分布量子态制备方法，通过减少纠缠度、优化浅量子电路设计、提升MPS的近似精度，实现了比现有方法高两个数量级的计算精度。这一突破性进展不仅为当前的NISQ设备提供了更可行的量子态制备方案，同时也为未来更大规模的量子计算应用奠定了基础。

未来的研究方向包括进一步优化矩阵积态的计算复杂度，提高其在不同量子硬件上的适配性，并探索更多可能的应用领域。此外，随着量子计算硬件的不断进步，该方法有望在真实量子设备上展现更强的计算能力，推动量子计算迈向实用化的新阶段。

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