注册| 登录

量子计算机的要求

2018-03-04

或许对量子计算机最苛刻,也是最普适的要求是所谓的“封闭盒子” (close box) 条款:在操作人员的控制下所执行的量子计算机的内部操作,必须和整个宇宙的其他部分孤立开来。即使一点点的干扰都可能让我们脆弱的量子计算机产生毁灭性的衰亡,也就是退相干(decoherence)。


退相干有多种来源。在大量实验的系综测量中,由于哈密顿量是含时的,导致每次的振荡频率总会有差别,统计下来整个设备就会有信号衰减,这个时间尺度叫做image.png;实验中,系统总会被附加一些随机的过程或者放出能量,导致统计结果为系统朝热平衡态演化,这个时间尺度叫做 image.png;而系统也可能和外界环境通过相互作用让振荡产生相位扰动,导致相干的衰减,这个时间尺度叫做image.png。一般来说, image.png,而且在绝大多数系统中, image.png,所以在量子计算中 image.png 是更加重要的。


没有什么系统是完全的退相干不变的,但是少量的退相干影响是可以通过各种技术消除的,著名的比如量子纠错 quantum error correction)。早期的对容错量子计算机的物理实现要求有著名的 DiVencenzo判据 五条定则,这里不再赘述。如果我们假设物理体系的退相干效应足够小的话,一个物理实现方案只需要满足下面三个条件就可以用做量子计算机的潜在体系了。


首先是可扩展性 (scalablity)。量子计算机的操作都是在 Hilbert 空间中进行的,而 Hilbert  的空间维度是指数形式增长的,这就要求我们的物理体系要有非指数的资源,但缺能反应出 Hilbert  空间的指数增长,例如时间,空间,能量等。标准的做法就是遵循 DiVincenzo 的第一条定则:可以简单的对一个系统增加新的且可分辨的 qubit。当然要宣称一个方案是“可扩展的”确实非常难,因为用来定义和操控 qubit 的资源总是多种多样的,这会涉及到很多经典技术,比如微芯,微波,激光,低温等。为了证明该方案可扩展,必须同时要把这些技术做到可扩展,这可能就需要非常复杂的工科知识了。


其次是该体系有能执行普适的逻辑操作。也就是,在大的 Hilbert  空间中的操作必须能够分解成一系列简单的操作,而这些简单操作的需求资源不能是指数增长的。当然,前面已经说过,任意角度的单比特旋转门和两比特 CNOT门就可以组合成任意的逻辑操作,也就是说只要该体系能够有效实现这两个门就可以了。当然,出了基于逻辑门的量子计算,还有其他的量子计算模式,比如绝热量子计算 (adiabatic quantum computation),one-way量子计算 (one-way quantum computation) 等。这些量子计算模式中和基于逻辑门的量子计算是等价的,但执行它们并不需要拆解逻辑门。


最后是纠错能力 (correctability)。该方案必须能够萃取计算机的信息熵来得到有用的量子态,比如有效的初态制备和测量。初态制备其实就是把一个量子系统迅速地冷却到低熵的状态,而测量就是迅速地以较高的精度得到量子系统的状态的能力,这两者在某种意义上是相似的,且已经被统一到了量子纠错理论中。


目前建造量子计算机最主要的挑战就是操控,测量量子系统的能力,以及阻止系统和外界环境的相互作用的能力。


参考文献:

1. A. Steane. Quantum computing. Rep. Prog. Phys. 61,117 (1998)

2. M. A. Nielsen and I. L. Chuang, Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press (2000).

3. 鲁大为,“利用核磁共振量子计算机实验实现量子模拟”,中国科技大学博士学位论文(2012).

收藏 评论:0
没有ID?去注册 忘记密码? 已有账号,马上登陆

添加表情