經(jīng)常發(fā)現(xiàn)諸如量子計(jì)算機(jī)，量子感測(cè)設(shè)備和量子存儲(chǔ)器之類的量子技術(shù)在速度和性能方面優(yōu)于傳統(tǒng)電子技術(shù)，因此可以很快幫助人們更有效地解決各種問題。盡管具有巨大的潛力，但大多數(shù)量子系統(tǒng)固有地易受錯(cuò)誤和噪聲的影響，這對(duì)于在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)和使用它們構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

為了使大規(guī)模實(shí)施量子技術(shù)成為可能，研究人員一直在嘗試開發(fā)使它們對(duì)噪聲更具彈性且更不易出錯(cuò)的技術(shù)。盡管其中一些方法(例如量子錯(cuò)誤校正和容錯(cuò))已被證明是有用的，并且現(xiàn)在已成為量子信息科學(xué)的基石，但在實(shí)際應(yīng)用中限制量子系統(tǒng)性能的因素仍然知之甚少。

英國(guó)劍橋大學(xué)和加拿大外圍理論物理研究所的研究人員最近試圖對(duì)“純化”噪聲量子資源的技術(shù)局限性進(jìn)行理論理解。在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表的一篇論文中，他們從數(shù)學(xué)上證明了對(duì)純化與實(shí)際應(yīng)用相關(guān)的不同類型量子資源的方法的準(zhǔn)確性和效率存在一系列通用限制，這些限制在量子技術(shù)的運(yùn)行中起著關(guān)鍵作用。

進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究者之一劉子文告訴我們：“本文中討論的思想和技術(shù)源于我們?cè)谳^早的PRL論文之一中概述的一般'一次性量子資源理論'。” Phys.org。“關(guān)鍵思想是分析一種稱為量子假設(shè)的信息理論量，以測(cè)試相對(duì)熵，該量被證明會(huì)引起從噪聲狀態(tài)到純狀態(tài)轉(zhuǎn)換的普遍局限。”

Liu和他的同事使用數(shù)學(xué)定理證明了對(duì)純?cè)肼曎Y源的凈化程度存在一系列基本限制，這些限制源于量子力學(xué)定律。他們進(jìn)行的計(jì)算幾乎適用于所有類型的量子資源。

“更明確地說，對(duì)于通過任何免費(fèi)協(xié)議(包括概率協(xié)議)將任何級(jí)別的嘈雜狀態(tài)轉(zhuǎn)換為任何目標(biāo)純資源狀態(tài)的錯(cuò)誤，我們得出了不重要的下限，并且發(fā)現(xiàn)即使達(dá)到完美的資源凈化也是不可能的概率地，”劉解釋。“特別是，在成功概率與協(xié)議準(zhǔn)確性之間存在一個(gè)不小的折衷界限，類似于“不確定性關(guān)系”。”

這組研究人員提出的數(shù)學(xué)定理暗示著對(duì)蒸餾效率的嚴(yán)格限制，蒸餾是一種凈化量子資源的技術(shù)，該技術(shù)是各種藍(lán)圖量子技術(shù)的基礎(chǔ)。更具體地說，這些定理在魔術(shù)狀態(tài)蒸餾的成本上引入了第一個(gè)明確的下限，這被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)可伸縮和容錯(cuò)量子計(jì)算的領(lǐng)先方案。

劉說：“值得注意的是，我們的定理使我們對(duì)大規(guī)模量子計(jì)算和其他量子技術(shù)的必要資源成本有了第一個(gè)嚴(yán)格的了解。” “我們希望我們的結(jié)果將成為重要的指導(dǎo)方針，并在實(shí)際場(chǎng)景中找到廣泛的應(yīng)用。此外，我們正在編寫有關(guān)將無純化定理擴(kuò)展到量子通道的后續(xù)工作，這直接適用于重要的動(dòng)力學(xué)場(chǎng)景。例如量子通道仿真和電路綜合，以使理論更完整。”

除了闡明量子技術(shù)的成本和局限性之外，這些發(fā)現(xiàn)還增進(jìn)了對(duì)量子力學(xué)基本原理的理解。像著名的不停定理，不克隆定理和不確定性原理一樣，它們引入的新的“不純化”定理有望在量子物理學(xué)的科學(xué)和實(shí)踐發(fā)展中發(fā)揮關(guān)鍵作用。將來，他們可能會(huì)引發(fā)關(guān)于如何達(dá)到這些極限的進(jìn)一步研究，最終為在實(shí)際的實(shí)際應(yīng)用中使用更高效的量子技術(shù)鋪平道路。