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科技日報記者吳長鋒

近期，發(fā)表于國際著名學術(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”的研究，解決了物理學中長期存在的實驗咨詢題。研究建立了對量子計算機性能進行基準測試的辦法，同時有效地減少了量子信息擾動關(guān)于計算的干擾。

這一研究無疑關(guān)于正在探究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”

時刻旅行是科幻小講中的熱門主題。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”，以致于改變整個歷史走向？

國外兩位科學家，也算是上述研究的論文作者，用量子計算機模擬了“時刻旅行”。他們發(fā)現(xiàn)：量子有自我修復的能力。也算是講，在量子層面上，“蝴蝶效應”不成立。

在研究中，論文作者經(jīng)過量子計算機模擬，讓量子比特進行了一次“時刻旅行”，回到了過去。在“時刻旅行”的過程中，所有的量子比特其中的一個會被破壞。但是，出人意料的是，當所有的量子比特回到現(xiàn)在，一切卻都恢復了原樣，宛然它們具備自愈的能力。

論文作者解釋講：在量子計算機上，能夠模擬時刻的反方向演化，換言之，能夠模擬一個回到過去的旅程。于是，我們能夠回到過去，弄些小損傷，然后返回現(xiàn)在。我們在記憶了上述過程之后，卻發(fā)現(xiàn)世界仍然好好的，于是，量子力學中沒有“蝴蝶效應?！?/p>

這就意味著，這種“量子反蝴蝶效應”能夠應用于信息隱藏硬件和量子信息器件測試中，計算機能夠經(jīng)過將初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換為強糾纏態(tài)來隱藏信息。這一新發(fā)現(xiàn)還能夠被用來測試量子處理器是否確實在量子原理下工作。

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。使用他們開辟的簡單、強大的協(xié)議，能夠確定量子計算機有效處理信息的程度。并且，該協(xié)議也適用于其他復雜量子系統(tǒng)中的信息丟失。退相干形式的噪聲在與身邊環(huán)境耦合時，會擦除復雜系統(tǒng)（例如量子計算機）中所有的量子信息。

論文作者表示，他們的辦法利用“量子反蝴蝶效應”，在一個循環(huán)中隨著時刻的向前和向后演化一個系統(tǒng)，于是能夠?qū)⑵鋺糜谌魏尉哂袝r刻反轉(zhuǎn)動力學的系統(tǒng)，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(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，然后在相同的時刻內(nèi)向后演化系統(tǒng)。作者表示，經(jīng)過測量兩個子系統(tǒng)之間的信息重疊，就能夠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。

多種因素妨礙量子計算機性能

“在量子計算中，相干性是一種可以實現(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身邊環(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，其所記憶的時刻叫做退相干時刻。量子比特與環(huán)境的相互作用是造成其退相干的要緊緣故。

“于是，要延長量子比特的退相干時刻，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不少。而且這些因素往往相互關(guān)聯(lián)，于是，在設計和創(chuàng)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；也有屬于量子比特創(chuàng)造過程的因素，如量子比特周邊的雜質(zhì)導致的二能級損耗（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徹底超導而在低溫下加信號產(chǎn)生的熱噪聲等。

有關(guān)專家強調(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，同樣也是妨礙量子計算機性能的重要因素。

“在有限的相干時刻內(nèi)，量子邏輯門的操作速度越快，量子計算機所能執(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?！庇嘘P(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辦法

“確切地講，此次研究是建立了一種基準辦法。經(jīng)過測量系統(tǒng)中的一種特殊可觀測量的值，再依照該測量結(jié)果，就能夠嚴格準確地區(qū)分開量子信息擾動過程和一般的量子退相干過程?！庇嘘P(guān)專家講。

“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(zhì)的不同，這進一步加深了我們對量子世界，尤其是關(guān)于復雜量子系統(tǒng)的認識?！庇嘘P(guān)專家表示，利用量子信息擾動的“反蝴蝶效應”，人們能夠?qū)α孔有畔⑦M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)，就能夠使得該信息在記憶環(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”是復雜量子系統(tǒng)特有的性質(zhì)，于是其也能夠被用來檢驗量子計算機是否遵循量子力學規(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?！爸皇悄菢拥膶嶒炓蕾囉趯α孔酉到y(tǒng)的周密而復雜的操縱，因而難以推廣?！?/p>

有關(guān)專家表示，本次研究提出了一種十分簡潔的新辦法，能夠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。

來源：中國科技網(wǎng)