部分坍塌的量子比特可通過「自旋迴聲」恢復狀態

2020-12-03 中國科學院

　　在同一時間處於兩種不同狀態是量子比特的一個顯著特點，測量量子比特會導致這種疊加態崩潰，使其塌縮成一個單一態。這個測量過程以及由此造成的量子比特坍塌似乎是不可逆轉的。但據物理學家組織網11月12日（北京時間）報導，牛津大學的一個團隊在《物理評論快報》上發表論文稱，他們的實驗證明，有一種方法可以原則上完美地恢復部分坍塌的單個量子比特的狀態。該成果可用於量子系統中的質量控制。

　　開展這項研究的牛津大學物理學家J.A.謝爾曼等人解釋說，對一個量子比特進行測量，如果導致其完全崩潰，該量子比特就可以塌縮至一個確定的狀態；而如果只是局部崩潰，可以理解為只是「窺看」了量子比特一眼，因為這不過是在驗證量子比特沒有衰變。但問題在於，這種單純的窺看行為往往也會改變量子比特的狀態。因此，找到恢復的方法能夠從根本上扭轉窺看對量子比特的影響，從而使窺看變成一種非破壞性的量子質量控制技術。

　　可以用「薛丁格的貓」來想像一下這個局部坍塌的概念。「假設貓可以處於三種狀態：快樂、悲傷或者死了，」謝爾曼說，「那麼，這種方法只是檢測貓究竟是死了還是沒有，而無需了解貓是快樂還是悲傷。而快樂和悲傷混雜的量子狀態在核實了貓還活著之後是可以得到積極地恢復的。」

　　物理學家們說，這種恢復量子比特的方法可以歸納為一個概念——自旋迴聲。自旋迴聲可以理解為一種讓自旋「解開」的技術，該方法於2002年提出，2008年首次通過實驗實現。他們對這種方法的準確性加以改進，使其失真度降低了一個量級，從而能夠大幅恢復已經嚴重坍塌的量子比特的狀態。比如，即使衰變的可能性高達80%，量子比特的信息內容也能被保存下來，且準確性超過98%。

　　但這種恢復方法並非完美無缺。量子比特的狀態能否恢復，取決於它坍塌的程度，正如死貓無力回生一樣，完全崩潰的量子比特恢復的可能性為零。儘管如此，該方法對於克服量子退相干仍非常有用，而退相干是發展量子系統面臨的最大挑戰之一。

　　「量子相干性是量子系統最大的弱點，因為所有的量子系統都會受到嘈雜環境和自發衰變的極大影響。」謝爾曼說，「要更完善地利用量子信息，就需要方法來檢測和糾正這些隨機誤差。我們所描述的『可逆窺看』方法是普遍適用的，並且在一個量子比特比其他的衰變更快（或對噪音更敏感）的情況下最有用。對於光子量子比特，『可逆窺看』可以通過雙折射光學系統和偏光器來實現。對於超導體量子比特，『可逆窺看』可以利用微波脈衝來操作。而對於像我們實驗中的原子量子比特，我們採用的是光脈衝和射頻脈衝。『可逆窺看』可能是促使這些量子計算架構從實驗室走向真正廣泛部署的有用設備的幾種技術之一。」

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