研究人員：高效分辨量子信息擾動“反蝴蝶效應”有辦法

近期，發表于國際著名學術期刊《物理評論快報》上的一項研究引發了業內的關注。國外研究人員借鑒量子“反蝴蝶效應”的研究，解決了物理學中長期存在的實驗問題。研究建立了對量子計算機性能進行基準測試的方法，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中的量子計算顯得尤為重要。

量子世界不允許有“蝴蝶效應”

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生“蝴蝶效應”，以致于改變整個歷史走向?

國外兩位科學家，也就是上述研究的論文作者，用量子計算機模擬了“時間旅行”。他們發現：量子有自我修復的能力。也就是說，在量子層面上，“蝴蝶效應”不成立。

在研究中，論文作者通過量子計算機模擬，讓量子比特進行了一次“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，當所有的量子比特回到現在，一切卻都恢復了原樣，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，然后返回現在。我們在經歷了上述過程之后，卻發現世界仍然好好的，因此，量子力學中沒有“蝴蝶效應。”

這就意味著，這種“量子反蝴蝶效應”可以應用于信息隱藏硬件和量子信息器件測試中，計算機可以通過將初始狀態轉換為強糾纏態來隱藏信息。這一新發現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，他們的協議量化了量子系統中的信息加擾，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分開。使用他們開發的簡單、強大的協議，可以確定量子計算機有效處理信息的程度。同時，該協議也適用于其他復雜量子系統中的信息丟失。退相干形式的噪聲在與周圍環境耦合時，會擦除復雜系統(例如量子計算機)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”，在一個循環中隨著時間的向前和向后演化一個系統，因此可以將其應用于任何具有時間反轉動力學的系統，包括量子計算機和使用冷原子的量子模擬器。

為此，他們準備了一個量子系統和子系統，使整個系統向前演化，從而在不同的子系統中引起變化，然后在相同的時間內向后演化系統。作者表示，通過測量兩個子系統之間的信息重疊，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性能

“在量子計算中，相干性是一種能夠實現量子計算的量子狀態，而退相干性是指隨著信息泄漏到周圍環境而失去該狀態的狀態。”合肥本源量子計算公司相關技術專家(以下簡稱有關專家)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，其所經歷的時間叫做退相干時間。量子比特與環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’。”有關專家表示。

有關專家告訴記者，在實際的量子比特系統中，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聯，因此，在設計和制造過程中需要經常權衡取舍。其中有屬于外界環境的因素，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導致的二能級損耗(TLS損耗)、量子芯片或封裝上的磁性物質、封裝和線路工藝尚不能完全超導而在低溫下加信號產生的熱噪聲等。

有關專家強調，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性能的重要因素。

“在有限的相干時間內，量子邏輯門的操作速度越快，量子計算機所能執行的門數量越多。量子邏輯門的操作保真度越高，則計算錯誤率越小。”有關專家告訴記者，操作速度和保真度的瓶頸則在于線路的優化和量子測控系統的操作精度。線路優化包括從室溫到低溫直到封裝盒和芯片內部每一級線路的轉換與性能優化。量子測控系統的操作精度則取決于內部數模轉換器(DAC)、模數轉換器(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方法。通過測量系統中的一種特殊可觀測量的值，再根據該測量結果，就可以嚴格準確地區分開量子信息擾動過程和普通的量子退相干過程。”有關專家說。

“這一研究再次表明，量子信息擾動與量子退相干效應具有本質的不同，這進一步加深了我們對量子世界，尤其是對于復雜量子系統的認識。”有關專家表示，利用量子信息擾動的“反蝴蝶效應”，人們可以對量子信息進行編碼或者隱藏。例如，將初始信息制備成一個高度糾纏態，就可以使得該信息在經歷環境的擾動，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”是復雜量子系統特有的性質，因此其也可以被用來檢驗量子計算機是否遵循量子力學規律。

有關專家告訴記者，在早期的實驗中，利用量子隱形傳態技術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的精密而復雜的控制，因而難以推廣。”

有關專家表示，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等引起的嘈雜背景干擾。(科技日報記者吳長鋒)

標簽： 研究人員 高效分辨量子 信息擾動 反蝴蝶效應有辦法