去相干是量子計算的一個問題,但是……

與環境相互作用導致量子 測量成為 可能

由凱薩琳·麥考密克在2020年3月30日

藝術家對量子計算機電路的印象。圖片來源：Alfred Pasieka Getty Images

看起來，量子計算正在變得越來越先進。量子位越來越乾淨，門越來越好，算法也越來越複雜。顯然，量子計算成為一項主要技術只是時間問題。但是，仍然存在需要克服的主要麻煩：退步。

量子計算機有望通過使用諸如疊加和糾纏等量子原理來解決某些類型的問題，從而實現指數級加速，但是量子狀態的使用也使量子計算機比傳統計算機更容易出錯。這些錯誤是由退相干引起的，退相干是環境與量子位相互作用，不可控制地更改其量子狀態並導致量子計算機存儲的信息丟失的過程。

退相干可能來自環境的許多方面：不斷變化的磁場和電場，附近溫暖物體的輻射或量子位之間的串擾。在解決所有這些潛在的退相干源方面，量子科學家的工作為他們而努力。

但是本文的重點不是貶低量子計算。這是為了突出量子力學的另一種應用，即利用而不是哀嘆量子態對其環境的極端敏感性。這是量子測量領域。

量子測量的目的是使用比常規的行為態對環境更敏感的疊加和糾纏態。這些狀態的較高靈敏度使我們能夠比其他方式更精確地測量環境。

這是這樣的。海森堡不確定性原理說，如果我們非常精確地測量系統的一個方面（例如，對象的位置），那麼我們將丟失有關系統不同方面的信息，例如，對象移動的速度。在規則的，經典的狀態下，它不會機械地發揮量子作用，位置和動量的不確定性是固定值。但是，如果我們對一個狀態進行量子控制，則可以使規則更有利於我們。

將這種不確定性想像成一個圓形氣球。如果不執行任何操作，則尺寸都相同。現在想像一下，將氣球放在您的雙手之間並擠壓它。它會在您要擠壓的尺寸上變得更窄，但因此會在其他尺寸上延伸，從而使總體積保持不變（只要您不緊壓，就不會彈出氣球）。本質上，這就是我們壓縮量子態時所要做的。我們在關注的維度上增加了不確定性，但結果與不確定性原理保持一致，我們在其他維度上遭受了更大的不確定性。

正如壓縮氣球的類比一樣，減少一個方向上的不確定性的量子過程也被適當地稱為壓縮。近年來，由於LIGO合作的著名引力波搜索技術的採用，擠壓技術在物理學界引起了廣泛關注。

LIGO使用幹涉儀，該幹涉儀使用在兩條不同路徑中傳播的光的幹涉來檢測這兩條路徑的相對距離的微小變化，這是引力波的特徵。這是令人難以置信的工程壯舉。藉助兩個四公裡長的臂和200千瓦的雷射功率，像鐘擺一樣懸掛在巨大的鏡子上，使實驗與地震事件隔離開來，它們對重力波的靈敏度令人印象深刻。而且，為了在每個檢測到的事件中建立更多的信心，他們不僅製造了一個幹涉儀。他們取得了三項（包括其他重力波幹涉儀合作項目VIRGO）。

通過將所有這些令人印象深刻的功能設計到幹涉儀中，LIGO的研究人員已經檢測到許多引起引力波的事件，但是他們希望進一步提高靈敏度，以便能夠檢測出引起引力波的較小或更遠的事件。最近，他們通過將特殊的光量子態（壓縮光）添加到其探測器的路徑之一中來實現這一目標。這種擠壓使得檢測引力波引起的幹涉儀兩臂長度的微小差異變得容易得多，這使它們比以前檢測出的事件多了50％。

讓我們清楚一點：退相干仍然是量子感測的問題。這會導致信號消失。試圖在存在退相干的情況下進行測量，就像對正在移動的人進行長時間曝光拍照一樣。照片變得模糊，並且變得難以辨別究竟怎樣的人正在移動。

但是，為什麼會出現退相干（即與環境相互作用）的根本物理學正是量子測量首先起作用的原因。我們只需要對如何設計實驗就很聰明，以使測量對我們要測量的事物敏感，而對其他環境則不敏感。例如，LIGO通過努力工作來將幹涉儀與任何會產生虛假信號的物體隔離開來，例如地震活動產生的振動，氣流或踩踏實驗室的笨腳科學家，從而實現了這一目標。

LIGO只是使用量子力學提高靈敏度的眾多實驗示例之一。研究人員正在使原子處於運動的量子態，以更精確地檢測電場；創建原子鐘的壓縮態，以提高其測量時間的精度；並致力於使用原子的糾纏態來更精確地測量重力。

量子計算專家正在尋找抑制退相干的方法，並且他們每年都在進行重大改進。通過不斷的努力，量子計算機將有一天填補計算領域的空白，解決傳統上難以解決的某些類型的問題。但是，讓我們不要忽視這樣一個事實，即量子計算機正在鬥爭的事實是，量子測量領域正在蓬勃發展。