量子消相干

量子消相干或退相干這種現象是 量子比特與外部環境發生相互作用，引起量子位能量耗散或相對位相改變，並最終導致量子位由相干疊加態退化為混合態或單一態。

基本介紹

• 中文名：量子消相干
• 屬性：理論

原理

傳統計算機在運算中所採用的是傳統比特，在特定的時間中傳統比特所代表的是1或0；而量子計算機所使用的量子比特卻能夠在同一時間內呈現出多種狀態——既可以是1也可以是0，這種狀態被稱為量子疊加，是量子相干性的一種表現。量子計算機之所以能夠完成那些傳統計算機所無法企及的複雜計算，在很大程度上都是源於其利用這種獨特的量子效應。但量子比特並不是一個孤立的系統，很容易與外部環境發生相互作用，並最終導致量子位由相干疊加態退化為混合態或單一態，即量子消相干。

雖然量子消相干只是一種噪聲或者干擾，但它足以將量子計算機的獨特功能破壞殆盡。因此，量子消相干也被看作是量子計算機的一大Bug（計算機漏洞）。為了克服消相干，科學家嘗試過量子糾錯碼和量子避錯碼等方法，雖然適用性好，但效率上並不理想。

分類

量子比特系統中的量子消相干可分為兩大類。一種是由量子系統內在固有的特徵引起；一種由系統外部因素引起，例如，材料中的雜質或缺陷。

科研成果

抑制量子消相干

美國南加州大學副教授高橋進（音譯）和他的同事針對單分子磁體進行研究，以期找到抑制量子消相干現象的方法。之所以選擇單分子磁體，是因為其純度較高，能夠消除外在原因引起的消相干，使研究人員能夠對內部原因引起的消相干進行精確的計算。同時，使用單分子磁體也能讓研究人員通過多個量子粒子創建量子比特，而不是單一量子對象。這也是目前使用最為普遍的一種量子計算機的構建方式。與此同時，這種方式還能夠大幅增加量子比特的信號，從而使在單分子磁體中探測到這些信號更加容易。

實驗中，研究人員對不同環境（溫度、磁場、輻射等）中的量子消相干現象進行測試，發現環境因素對量子消相干影響巨大。而利用強磁場能降低環境噪音水平，有效地抑制住量子消相干現象。

英屬哥倫比亞大物理和天文學教授菲爾 斯坦普說，這是一項值得欣喜的成果，它首次在一個複雜系統中預測並控制住了量子消相干現象。

獲取消相干圖片

2008年3月13日線上發表於《科學》雜誌的一篇論文，闡述了美國能源部艾姆斯實驗室、加州大學聖芭芭拉分校以及微軟Station Q的科學家的一項最新研究，他們分別從理論和實驗上研究了微觀系統如何與環境作用從而失去量子相干特性。研究人員在3月10日至14日舉行的美國物理學會會議上也介紹了他們的研究成果。

三幅描繪N-V中心受激自旋振盪的圖像

艾姆斯實驗室的理論物理學家Viatcheslav Dobrovitski說，“可見光、空氣中的分子、晶格振動等許多環境因素都會影響到量子力學粒子，這些不可控的相互作用會破壞不同量子態間的相干性。”

為了探索消相干的動力學過程，上述三家機構的科學家研究了一種易於操控的典型自旋系統——鑽石中的氮－空位（nitrogen-vacancy，簡稱N-V）摻雜中心，在單粒子尺度上分析了量子相干的失效。研究人員驚訝地發現，他們能夠極好地調整由氮自旋造成的干涉，從而得到該量子系統（實際上也就是一個量子比特）不同的消相干效應。同時，科學家們發現，通過施加一個適當的磁場，可以調控量子比特與環境干擾因素的相互作用程度。

利用解析理論和高級計算機模擬方法，研究人員得到了不同效應體系下消相干過程的清晰圖片，同時也對該過程中的量子自旋動力學進行了定量的描述。