杨硕研究组在利用物理可实现度刻画量子噪声的研究方面取得进展
Feb 22 2023
量子纠缠是量子计算中的重要资源，也是实现量子优越性与通用量子计算的必要条件。然而，由量子系统与环境的耦合而引入的量子噪声会破坏量子纠缠，阻碍量子计算机中高度纠缠态的实现。目前对于量子噪声的建模主要使用误差率来描述噪声的强度，但对于不同的噪声，无法使用误差率来直接定量刻画其退相干效果。
最近，杨硕课题组提出了一种使用物理可实现度（Physical Implementability）来刻画量子噪声的理论。该理论的出发点在于噪声信道的逆映射可以完全消除噪声的影响，因此可以使用其逆映射的物理性质来描述噪声本身的破坏性。同时，物理可实现度定义为模拟某一量子映射所消耗的实验资源，定量描述了实现量子误差缓解的难易程度。直觉上来说，噪声的破坏性越强，恢复和重建理想量子态的难度就越大。因此，使用噪声的逆映射的物理可实现度就可以定量刻画该噪声对于量子态和量子纠缠的退相干效果。
这一理论包括两个简洁的不等式，仅使用一个参数（即噪声逆映射的物理可实现度），分别描述了量子噪声对于量子纯度和量子纠缠的影响，并通过了大量的解析和数值的测试验证。其中主要的数值结果如图1所示。结果表明：该理论对于多比特泡利噪声、去极化噪声、去相位噪声、振幅阻尼噪声均适用，而这些噪声模型基本涵盖了实验上可能会出现的真实噪声。因此，这是一种可以描述各类噪声的普适理论。
图1 输入与输出量子态的负值度变化|ΔΕΝ|与噪声逆的物理可实现度ν（ε-1）
该成果以“Noise effects on purity and quantum entanglement in terms of physical implementability”为题于2023年2月20日发表在npj Quantum Information上。物理系本科生郭雨尘为本文的第一作者，物理系副教授杨硕为本文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划、清华大学低维量子物理国家重点实验室、量子信息前沿科学中心、笃实专项的资助。