量子計(jì)算飛速發(fā)展，但能耗問(wèn)題逐漸成為制約其進(jìn)一步突破的關(guān)鍵瓶頸。近日，廈門(mén)大學(xué)賀達(dá)海教授團(tuán)隊(duì)在世界物理學(xué)頂級(jí)期刊Physical Review Letters上發(fā)表最新研究成果，提出量子比特重置（qubit reset）的通用理論框架，為解決量子計(jì)算能耗難題開(kāi)辟新方向。
隨著量子計(jì)算系統(tǒng)大規(guī)模部署，能耗問(wèn)題日益突出。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)十年，全球數(shù)據(jù)中心能耗將占全球電力消耗的20%。量子比特重置作為基礎(chǔ)操作，需將量子比特從任意混合態(tài)精準(zhǔn)“清零”到純態(tài)（即信息擦除）。根據(jù)Landauer原理，該信息擦除過(guò)程理論能耗下限是kTln2（k為玻爾茲曼常數(shù)，T為環(huán)境溫度），但實(shí)際能耗高出該下限數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。這是由于真實(shí)量子運(yùn)算很難滿(mǎn)足準(zhǔn)靜態(tài)理想條件，且需平衡速度與精度，導(dǎo)致能效與擴(kuò)展性受限。
賀達(dá)海教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將環(huán)境分為收斂類(lèi)和發(fā)散類(lèi)，揭示了二者對(duì)能耗的差異化影響：收斂類(lèi)環(huán)境中，給定時(shí)間或精度存在不可突破的極限，即便投入無(wú)限能量也無(wú)法超越；而發(fā)散類(lèi)環(huán)境可通過(guò)能量投入實(shí)現(xiàn)任意快速的量子比特重置。
團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，不同時(shí)長(zhǎng)的最優(yōu)控制協(xié)議存在“相似”特征：通過(guò)簡(jiǎn)單變量變換即可實(shí)現(xiàn)協(xié)議映射，大幅簡(jiǎn)化復(fù)雜優(yōu)化計(jì)算，為量子器件設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵理論工具。研究還表明，在短時(shí)極限的量子操作中，超歐姆玻色熱庫(kù)優(yōu)勢(shì)突出，當(dāng)重置時(shí)間趨于零時(shí)，能耗-時(shí)間代價(jià)趨于零，為超高效量子比特重置帶來(lái)可能。
這項(xiàng)研究深化了對(duì)非平衡量子過(guò)程的理解，為未來(lái)量子器件的工程實(shí)現(xiàn)提供理論工具，也能用于優(yōu)化其他快速量子信息處理過(guò)程。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、福建省自然科學(xué)基金等資助。
來(lái)源: 福建日?qǐng)?bào)
