國外科學(xué)家用量子計算機(jī)模擬“時間旅行”，讓量子比特恢復(fù)原樣

2022-09-07 10:11:31來源：科技日報

近期，發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《物理評論快報》上的一項研究引發(fā)了業(yè)內(nèi)的關(guān)注。國外研究人員借鑒量子“反蝴蝶效應(yīng)”的研究，解決了物理學(xué)中長期存在的實驗問題。研究建立了對量子計算機(jī)性能進(jìn)行基準(zhǔn)測試的方法，并且有效地減少了量子信息擾動對于計算的干擾。

這一研究無疑對于正在探索前進(jìn)中的量子計算顯得尤為重要。

量子世界不允許有“蝴蝶效應(yīng)”

時間旅行是科幻小說中的熱門主題。那么一旦回到過去，初始條件的改變是否會產(chǎn)生“蝴蝶效應(yīng)”，以致于改變整個歷史走向?

國外兩位科學(xué)家，也就是上述研究的論文作者，用量子計算機(jī)模擬了“時間旅行”。他們發(fā)現(xiàn)：量子有自我修復(fù)的能力。也就是說，在量子層面上，“蝴蝶效應(yīng)”不成立。

在研究中，論文作者通過量子計算機(jī)模擬，讓量子比特進(jìn)行了一次“時間旅行”，回到了過去。在“時間旅行”的過程中，所有的量子比特其中的一個會被破壞。然而，出人意料的是，當(dāng)所有的量子比特回到現(xiàn)在，一切卻都恢復(fù)了原樣，仿佛它們具備自愈的能力。

論文作者解釋說：在量子計算機(jī)上，可以模擬時間的反方向演化，換言之，可以模擬一個回到過去的旅程。因此，我們可以回到過去，弄些小損傷，然后返回現(xiàn)在。我們在經(jīng)歷了上述過程之后，卻發(fā)現(xiàn)世界仍然好好的，因此，量子力學(xué)中沒有“蝴蝶效應(yīng)。”

這就意味著，這種“量子反蝴蝶效應(yīng)”可以應(yīng)用于信息隱藏硬件和量子信息器件測試中，計算機(jī)可以通過將初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)糾纏態(tài)來隱藏信息。這一新發(fā)現(xiàn)還可以被用來測試量子處理器是否真的在量子原理下工作。

論文作者表示，他們的協(xié)議量化了量子系統(tǒng)中的信息加擾，并明確地將其與由量子退相干引起的嘈雜背景中的假陽性信號區(qū)分開。使用他們開發(fā)的簡單、強(qiáng)大的協(xié)議，可以確定量子計算機(jī)有效處理信息的程度。同時，該協(xié)議也適用于其他復(fù)雜量子系統(tǒng)中的信息丟失。退相干形式的噪聲在與周圍環(huán)境耦合時，會擦除復(fù)雜系統(tǒng)(例如量子計算機(jī))中所有的量子信息。

論文作者表示，他們的方法利用“量子反蝴蝶效應(yīng)”，在一個循環(huán)中隨著時間的向前和向后演化一個系統(tǒng)，因此可以將其應(yīng)用于任何具有時間反轉(zhuǎn)動力學(xué)的系統(tǒng)，包括量子計算機(jī)和使用冷原子的量子模擬器。

為此，他們準(zhǔn)備了一個量子系統(tǒng)和子系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)向前演化，從而在不同的子系統(tǒng)中引起變化，然后在相同的時間內(nèi)向后演化系統(tǒng)。作者表示，通過測量兩個子系統(tǒng)之間的信息重疊，就可以顯示有多少信息被加擾保留了，而有多少信息因退相干而丟失。

多種因素影響量子計算機(jī)性能

“在量子計算中，相干性是一種能夠?qū)崿F(xiàn)量子計算的量子狀態(tài)，而退相干性是指隨著信息泄漏到周圍環(huán)境而失去該狀態(tài)的狀態(tài)。”合肥本源量子計算公司相關(guān)技術(shù)專家(以下簡稱有關(guān)專家)向科技日報記者解釋道：量子比特要保持其相干性，才能讓量子疊加態(tài)信息得以維持，量子比特的相干性被破壞的過程叫做退相干，其所經(jīng)歷的時間叫做退相干時間。量子比特與環(huán)境的相互作用是造成其退相干的主要原因。

“因此，要延長量子比特的退相干時間，就必須有效隔絕量子比特與環(huán)境的一切相互作用，僅僅放開對量子比特操控和讀取所需的部分，讓量子比特近似成為一個‘孤立系統(tǒng)’。”有關(guān)專家表示。

有關(guān)專家告訴記者，在實際的量子比特系統(tǒng)中，造成量子比特退相干的因素還有很多。而且這些因素往往相互關(guān)聯(lián)，因此，在設(shè)計和制造過程中需要經(jīng)常權(quán)衡取舍。其中有屬于外界環(huán)境的因素，如電磁輻射、溫度漲落、振動;也有屬于量子比特制造過程的因素，如量子比特周邊的雜質(zhì)導(dǎo)致的二能級損耗(TLS損耗)、量子芯片或封裝上的磁性物質(zhì)、封裝和線路工藝尚不能完全超導(dǎo)而在低溫下加信號產(chǎn)生的熱噪聲等。

有關(guān)專家強(qiáng)調(diào)，除“量子比特的相干性”外，量子邏輯門的操作、讀取的速度和保真度，同樣也是影響量子計算機(jī)性能的重要因素。

“在有限的相干時間內(nèi)，量子邏輯門的操作速度越快，量子計算機(jī)所能執(zhí)行的門數(shù)量越多。量子邏輯門的操作保真度越高，則計算錯誤率越小。”有關(guān)專家告訴記者，操作速度和保真度的瓶頸則在于線路的優(yōu)化和量子測控系統(tǒng)的操作精度。線路優(yōu)化包括從室溫到低溫直到封裝盒和芯片內(nèi)部每一級線路的轉(zhuǎn)換與性能優(yōu)化。量子測控系統(tǒng)的操作精度則取決于內(nèi)部數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的精度、微波器件的精度等。

一種處理信息擾動的簡潔方法

“確切地說，此次研究是建立了一種基準(zhǔn)方法。通過測量系統(tǒng)中的一種特殊可觀測量的值，再根據(jù)該測量結(jié)果，就可以嚴(yán)格準(zhǔn)確地區(qū)分開量子信息擾動過程和普通的量子退相干過程。”有關(guān)專家說。

“這一研究再次表明，量子信息擾動與量子退相干效應(yīng)具有本質(zhì)的不同，這進(jìn)一步加深了我們對量子世界，尤其是對于復(fù)雜量子系統(tǒng)的認(rèn)識。”有關(guān)專家表示，利用量子信息擾動的“反蝴蝶效應(yīng)”，人們可以對量子信息進(jìn)行編碼或者隱藏。例如，將初始信息制備成一個高度糾纏態(tài)，就可以使得該信息在經(jīng)歷環(huán)境的擾動，甚至是外界的攻擊之后，仍能被很好地還原。

此外，由于“量子反蝴蝶效應(yīng)”是復(fù)雜量子系統(tǒng)特有的性質(zhì)，因此其也可以被用來檢驗量子計算機(jī)是否遵循量子力學(xué)規(guī)律。

有關(guān)專家告訴記者，在早期的實驗中，利用量子隱形傳態(tài)技術(shù)觀測到了量子信息擾動的存在。“不過那樣的實驗依賴于對量子系統(tǒng)的精密而復(fù)雜的控制，因而難以推廣。”

有關(guān)專家表示，本次研究提出了一種十分簡潔的新方法，可以有效地分辨出量子信息擾動，避免受到諸如量子退相干效應(yīng)等引起的嘈雜背景干擾。(吳長鋒)

關(guān)鍵詞：國外科學(xué)家量子計算機(jī) 時間旅行量子比特恢復(fù)原樣

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