Undersøgelse identificerer grænser for effektiviteten af ​​teknikker til at reducere støj i kvanteressourcer

Kvanteteknologier, såsom kvantecomputere, kvantesensorer og kvantehukommelse, har ofte vist sig at overgå traditionel elektronik i hastighed og ydeevne, og kunne således snart hjælpe mennesker til at tackle en række problemer mere effektivt. På trods af deres enorme potentiale, de fleste kvantesystemer er i sagens natur modtagelige for fejl og støj, hvilket udgør en alvorlig udfordring for at implementere og bruge dem i den virkelige verden.

For at muliggøre implementering af kvanteteknologier i stor skala, forskere har forsøgt at udvikle teknikker, der kunne gøre dem mere modstandsdygtige over for støj og mindre tilbøjelige til at fejle. Mens nogle af disse metoder, såsom kvantefejlkorrektion og fejltolerance, har vist sig at være nyttige og nu er hjørnestenene i kvanteinformationsvidenskab, de faktorer, der begrænser ydeevnen af ​​kvantesystemer i virkelige applikationer, er stadig dårligt forstået.

Forskere ved University of Cambridge i Storbritannien og Perimeter Institute for Theoretical Physics i Canada har for nylig forsøgt at opnå en teoretisk forståelse af begrænsningerne ved teknikker til at "rense" støjende kvanteressourcer. I et papir udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , de beviste matematisk eksistensen af ​​en række universelle grænser for nøjagtigheden og effektiviteten af ​​metoder til at rense forskellige typer kvanteressourcer forbundet med praktiske anvendelser, som spiller en nøglerolle i kvanteteknologiernes funktion.

"Idéerne og teknikkerne, der er diskuteret i vores papir, stammer fra den generelle 'one-shot quantum ressource theory', ' som vi skitserede i et af vores tidligere PRL-papirer, "Zi-Wen Liu, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Nøgleideen er at analysere en informationsteoretisk størrelse kaldet kvantehypotesen, der tester relativ entropi, som har vist sig at inducere universelle begrænsninger på transformationer fra støjtilstand til ren tilstand."

Ved hjælp af matematiske teoremer, Liu og hans kolleger påviste en række grundlæggende begrænsninger for, i hvilket omfang generiske støjende ressourcer kan renses, som stammer fra kvantemekanikkens love. De beregninger, de har foretaget, gælder for stort set alle typer kvanteressourcer.

"Mere eksplicit, vi udleder ikke-trivielle nedre grænser for fejlen ved at konvertere enhver støjtilstand i fuld rang til en hvilken som helst måltilstand med rene ressourcer ved en hvilken som helst fri protokol (inklusive probabilistiske) - og finder ud af, at det er umuligt at opnå perfekt ressourceoprensning, selv sandsynligt, Liu forklarede. der er en ikke-triviel afvejning mellem successandsynligheden og nøjagtigheden af ​​protokollen, som ligner et 'usikkerhedsforhold'. "

De matematiske teoremer introduceret af dette team af forskere antyder eksistensen af ​​stærke grænser for effektiviteten af ​​destillation, en teknik til at rense kvanteressourcer, der understøtter en bred vifte af tegnede kvanteteknologier. Mere specifikt, disse teoremer introducerer de første eksplicitte nedre grænser for omkostningerne ved magisk tilstandsdestillation, som anses for at være en førende ordning til at realisere skalerbar og fejltolerant kvanteberegning.

"Bemærkelsesværdigt, vores teoremer gjorde det muligt for os at etablere den første strenge forståelse af de nødvendige ressourceomkostninger ved storskala kvantecomputere og andre kvanteteknologier, " sagde Liu. "Vi forventer, at vores resultater vil tjene som vigtige retningslinjer og finde vidtfavnende anvendelser i praktiske scenarier. I øvrigt, vi skriver et opfølgende arbejde med at udvide sætningerne uden oprensning til kvantekanaler, som er direkte anvendelige til vigtige dynamiske scenarier som kvantekanalsimulering og kredsløbssyntese, for at gøre teorien mere komplet."

Ud over at kaste lys over omkostningerne og begrænsningerne ved kvanteteknologier, resultaterne forbedrer forståelsen af ​​kvantemekanikkens grundlæggende principper. Ligesom de berømte no-go teoremer, ikke-kloningssætningen og usikkerhedsprincippet, de nye "no-purification" sætninger, de har indført, forventes at spille kritiske roller i den videnskabelige og praktiske udvikling af kvantefysikken. I fremtiden, de kunne sætte gang i yderligere forskning i, hvor godt disse grænser kan nås, i sidste ende baner vejen for mere effektive kvanteteknologier til praktiske anvendelser i den virkelige verden.

© 2020 Science X Network