香港大学（港大）工程学院研究团队在“量子纠缠”研究方面取得重大突破。研究人员发现，“量子纠缠”虽然长期以来被视为量子模拟的主要障碍，但其实际上能够加速量子模拟，并可成为强大的资源。此项开创性的研究已获国际学术期刊《自然·物理学》（Nature Physics）作为封面文章发表，题为“量子纠缠加速模拟”（Entanglement accelerates quantum simulation）。

模拟物质的动态演化是理解宇宙的基础，却也是物理和化学领域最具挑战性的任务之一。数十年来，“量子纠缠”——量子粒子之间复杂的关联——一直被视为难以克服的障碍。在传统计算中，高纠缠度会使模拟难度呈指数级上升，成为研究复杂量子系统的主要瓶颈。

由港大计算与数据科学学院赵琦教授领导的研究团队，联同复旦大学的周游教授和马里兰大学的 Andrew M. Childs 教授，推翻了这一长期存在的看法。他们发现，虽然量子纠缠会阻碍传统电脑的运算，但却能大幅提升量子模拟的效率，使原本的障碍转化为强大的资源。

传统模拟方法，如矩阵乘积态（MPS）和矩阵乘积算符（MPO），已相当成熟且被广泛应用于模拟量子动力学。然而，它们存在根本性限制：无法有效处理高纠缠度的系统，因为在这种情况下，计算成本会急剧飙升。相比之下，量子模拟器长期以来虽被视为模拟动态演化的未来解决方案，但过去人们普遍认为其效能与系统的纠缠度无关。

这项研究证明事实恰恰相反。赵教授的团队发现，当系统存在纠缠时，量子模拟方法反而变得更高效。这一反直觉的发现显示，量子计算在处理高纠缠问题时的优势，比原先预期的更为显著。

赵琦教授解释：“传统电脑害怕量子纠缠，但我们证明量子电脑其实‘喜欢’它。高量子纠缠度意味著量子电脑比传统电脑拥有更大的优势，使‘量子优势’的实现变得更加触手可及。”

基于此发现，团队进一步开发出“自适应模拟协议”，透过实时测量估算模拟过程中的误差，让演算法能自动优化，且几乎不增加额外成本。这项研究彻底改变了量子资源的应用方式——纠缠不再只是量子力学的特征或理论概念，而是能实际提升计算效率的工具，同时为未来高效量子计算的应用提供了关键理论基础。

赵教授补充道：“我们最初仅是希望厘清纠缠与量子模拟效能的关系，却未曾预料到能推导出如此简洁优美的物理公式。原本被视为计算障碍的复杂纠缠，竟是提升模拟效率的关键。这正是基础研究的魅力所在——透过对基本原理的探索，我们能打破既有认知的边界，为未来的技术突破开辟全新的路径。”

展望未来，研究团队计划深入探索纠缠加速在实际领域的具体影响。赵教授指出，这项机制可大幅提升材料科学、高能物理和化学反应模拟的效率，有望推动更高效电池、催化剂和药物研发，而这些领域的关键正是理解复杂量子的交互作用。