UNIST与南洋理工大学揭示抗噪“容错量子催化剂”条件

by Kim Suro

Published 04 Mar.2026 09:26(KST)

在噪声环境下运行的量子催化条件中提出“催化通道”方案

通过数学证明揭示催化通道的极限与适用范围，发表于 Phys.Rev.Lett.

韩国国内研究团队与海外知名大学合作，确立了在量子运算过程中将信息损失最小化的“具错误耐受性的量子催化剂”的数学条件。

量子催化剂是一种特殊的量子资源，可以让纠缠、相干性等受限的量子资源得到高效利用。

国际联合研究团队提出了在存在噪声的真实环境中，仍能保持这种量子催化剂效果的条件。

蔚山科学技术院（UNIST）物理学系 Lee Seokhyoung 教授与新加坡南洋理工大学研究团队于4日表示，他们从数学上证明了：此前提出的大多数量子催化方式在极其微小的噪声下，催化剂也会逐渐受损，难以重复使用，只有“催化通道”这一方式，才能在真实环境中依然维持稳定的催化效果。

研究团队成员为（自左起）Lee Seokhyeong UNIST教授、Nellie Ng 新加坡南洋理工大学教授、Son Jeongrak 南洋理工大学博士（第一作者）。UNIST提供

量子催化剂是一种能够实现原本不可能实现的量子态转换的量子资源。由于它像化学工艺中的催化剂一样自身不被消耗，并通过重复利用既有量子资源来提高效率，因此被称为量子“催化剂”。

研究显示，在既有研究中，理论上假定的量子催化剂，即便在为运算准备输入态时产生极其微小的误差（噪声），也会逐渐受损，从而破坏其最大特点——可重复使用性。

作为规避问题的解决方案，研究团队提出了“催化通道（Catalytic Channel）”。催化通道是一种量子运算方式，其设计目标是无论输入态为何种状态，都能始终将催化剂精确恢复到原始状态。既有的量子催化方案都是在“输入态能够被完美制备”这一理想化前提下设计的，因此对微小噪声非常脆弱。

研究团队同时也明确了催化通道的局限性。对于纠缠、相干性等典型量子资源，即便采用这种“催化通道”运算方式，从根本上也不可能获得新的收益，研究团队据此给出了“不可能性定理”。相反，在特定的热力学条件下，即便存在噪声，也可以稳定地保持催化通道的效果。

Lee Seokhyoung 教授表示：“本次成果并非基于实验上难以验证的理想化假设，而是揭示了在存在噪声的现实条件下，量子催化剂在多大范围内可以维持其效用”，“其意义在于，为了提升量子计算机的运算效率，在电路优化或量子热机设计中，如何构建抗噪声的结构提供了指导方针。”

量子热机是一种将汽车发动机或空调等经典热机缩减到原子或分子层面微观尺度的装置。

随外部噪声变化的量子催化过程。

本次研究由 Lee Seokhyoung 教授和新加坡南洋理工大学（NTU）的 Nelly H. Y. Ng 教授担任通讯作者，南洋理工大学 Son Junglak 博士担任第一作者。法国艾克斯-马赛大学、日本名古屋大学研究人员也共同参与。

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该研究在韩国研究财团和信息通信企划评价院（Information and Communications Technology Planning and Evaluation Institute, IITP）等机构的支持下完成，研究成果已于上月6日发表在物理学领域权威学术期刊《Physical Review Letters》上。

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