【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著量子計算的快速發(fā)展，能耗問題逐漸成為制約其進(jìn)一步突破的關(guān)鍵瓶頸。近日，廈門大學(xué)賀達(dá)海教授團(tuán)隊(duì)在物理學(xué)頂級期刊Physical Review Letters上發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于量子計算能耗的最新研究成果。該研究提出了計算量子比特重置最小能耗和最優(yōu)協(xié)議的一般理論框架。通過將環(huán)境分類，這一研究揭示了在不同環(huán)境下量子比特重置的顯著差異，并聚焦于短時極限下的性質(zhì)，為高效量子計算提供了新的理論指引。
 

　　量子科技與量子計算正經(jīng)歷爆發(fā)式發(fā)展，但隨之而來的能耗問題日益嚴(yán)峻。據(jù)預(yù)測，未來十年全球數(shù)據(jù)中心的能耗將占全球電力消耗的20%，而量子計算系統(tǒng)的大規(guī)模部署可能使這一問題更加突出。量子比特重置(qubit reset)是量子計算中的基礎(chǔ)操作，需要將量子比特從任意混合態(tài)(布洛赫球內(nèi)部)精確“清零”至純態(tài)(球表面)，這一過程也被稱為信息擦除(圖1)。重置一個量子比特將產(chǎn)生多大能耗呢？根據(jù)Landauer原理，該信息擦除過程的能耗下限為kTln2(k為玻爾茲曼常數(shù)，T為環(huán)境溫度)。然而，現(xiàn)實(shí)中的能耗往往高出理論下限數(shù)個數(shù)量級。這是因?yàn)長andauer原理對應(yīng)的準(zhǔn)靜態(tài)理想條件在真實(shí)量子運(yùn)算中難以實(shí)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用中需要同時滿足高速、高精度的操作需求。這種能耗與速度和精度之間的矛盾，嚴(yán)重制約了量子計算的能效與可擴(kuò)展性。
 

　　為了突破這一瓶頸，近年來人們針對有限時間的量子比特重置開展了大量研究。一方面，研究者們通過普適的熱力學(xué)不等式得到了信息擦除的能耗下界。另一方面，人們也投入了大量精力研究特定環(huán)境下的有限時間最低能耗和對應(yīng)的最優(yōu)協(xié)議(protocol)，主要集中在長時極限區(qū)域。然而，實(shí)際中的重置操作要求極高的速度和精度(比如在300納秒內(nèi)達(dá)到99%的精度)，這就要求從理論角度對短時極限下的擦除過程有更深層次的理解。
 

　　圖1 在布洛赫球上表示信息擦除過程。(a)任意初態(tài)使用最優(yōu)協(xié)議重置到純態(tài)。(b)最大混合態(tài)使用最優(yōu)協(xié)議重置到z方向基態(tài)。

 

　　研究團(tuán)隊(duì)提出了一般性理論框架，用于確認(rèn)任意環(huán)境和任意速度下信息擦除的最小能耗以及對應(yīng)的最優(yōu)協(xié)議，并揭示了環(huán)境類型對能耗的關(guān)鍵影響。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)環(huán)境躍遷率的斂散性將環(huán)境劃分為兩類：收斂類和發(fā)散類。
 

　　•收斂類：給定精度(時間)，存在最小所需時間(最大精度)，即使投入無限能量也無法突破該時間(精度)限制；
 

　　•發(fā)散類：可以通過能量投入實(shí)現(xiàn)任意快速的量子比特重置。
 

　　圖2 (a)以費(fèi)米熱庫為例的收斂類環(huán)境和(b)以s=1的玻色類熱庫為代表的發(fā)散類環(huán)境中的最小熱耗散關(guān)于錯誤率和擦除時間的等高線圖?？梢钥吹绞諗款惌h(huán)境中存在最大精度(或最小擦除時間)，而發(fā)散類環(huán)境中不存在該限制。

 

　　該研究重點(diǎn)討論了實(shí)際中所關(guān)心的快速驅(qū)動(短時)極限下，最優(yōu)量子比特重置所滿足的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，環(huán)境類型主導(dǎo)能耗特征——收斂類在接近最小時間時呈現(xiàn)對數(shù)發(fā)散，而發(fā)散類在時間趨零時展現(xiàn)標(biāo)度發(fā)散。更具實(shí)際價值的是，研究發(fā)現(xiàn)不同時長的最優(yōu)控制協(xié)議存在一種近乎普適的“相似”特征：對于不同持續(xù)時間的重置過程，最優(yōu)協(xié)議可以通過簡單的變量變換相互映射。這為復(fù)雜優(yōu)化計算提供了重要簡化路徑，為實(shí)際量子器件設(shè)計提供了關(guān)鍵理論工具。研究團(tuán)隊(duì)選取了典型的量子環(huán)境——費(fèi)米熱庫(收斂類環(huán)境)和玻色熱庫(譜指數(shù)s=0時為收斂類環(huán)境，s>0時為發(fā)散類環(huán)境)——作為實(shí)例分析,闡述了一般理論性框架得出的結(jié)論。
 

　　圖3 在收斂類環(huán)境中，(a)熵產(chǎn)生隨擦除時間的變化, 滿足對數(shù)發(fā)散。(b)不同擦除時間下的最優(yōu)協(xié)議，其中插圖表明這些最優(yōu)協(xié)議的相似性。

 

　　圖4 在發(fā)散類環(huán)境中，(a)熵產(chǎn)生隨擦除時間的變化, 滿足冪律發(fā)散。(b)不同擦除時間下的最優(yōu)協(xié)議，其中插圖表明這些最優(yōu)協(xié)議的相似性。
 

　　有趣的是，研究表明玻色熱庫在量子比特重置中比費(fèi)米熱庫更具優(yōu)勢。這種差異源于熱庫的量子統(tǒng)計效應(yīng)：玻色子允許多粒子占據(jù)同一能級，創(chuàng)造更多能量傳輸通道；而費(fèi)米子受泡利不相容原理限制，費(fèi)米熱庫的能量傳輸通道受限。特別值得注意的是，在短時極限下的量子操作中，超歐姆(super-Ohmic)玻色熱庫表現(xiàn)出了突破性優(yōu)勢：當(dāng)重置時間趨于零時，能耗-時間代價趨于零。這為超高效量子比特重置提供了一個令人興奮的理論可能。
 

　　這項(xiàng)研究不僅深化了對非平衡量子過程的理解，也為未來量子器件的工程實(shí)現(xiàn)提供了理論工具。該理論框架可以應(yīng)用于其他快速量子信息處理過程的優(yōu)化，如量子門操作和量子Szilard熱機(jī)等。相關(guān)研究成果以“Optimally fast qubit reset”為題，發(fā)表在Physical Review Letter上。課題組博士后劉越和博士生黃晨龍為論文共同第一作者，賀達(dá)海教授為論文通訊作者，博士后張星宇亦對論文研究做出了重要貢獻(xiàn)。該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、理論物理?？?、福建省自然科學(xué)基金和江西省自然科學(xué)基金的資助。