量子通道的研究在量子物理领域具有重要地位。因为任何物理过程都可以表示为一个由初态到末态的量子通道。利用量子云平台进行量子计算将会成为未来量子计算的新的模式。IBM Q是IBM公司建立的一个为科研和商业提供量子计算服务的云平台。最近一项研究通过使用IBM的量子云计算机展示了构造量子通道的通用算法并研究其相关性质。

图1  IBM量子云计算机和实验线路图

研究相关的论文题为: “Efficient universal quantum channel simulation in IBM’s cloud quantum computer”, 是近期出版的2018年第7期 SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy的文章, 由清华大学龙桂鲁教授担任通讯作者, IBM中国研究院研究员魏世杰与清华大学博士生辛涛作为共同第一作者共同撰写。研究者采用基于幺正算符线性叠加的对偶量子计算, 构造出实现通用的量子通道的模拟算法, 探究了量子通道的几个重要性质。

自从费曼设想利用量子计算机进行量子模拟, 封闭系统的量子模拟已经取得了显著的进展。由于与环境不可避免的耦合, 现实中的量子体系大多是开放的, 进行开放量子体系的模拟是一个与封闭系统模拟同等重要而且更加广泛的课题。然而开放量子体系的模拟依然处于发展的早期阶段, 主要集中在利用Lindblad方程模拟马尔科夫动力学过程。开放量子体系的模拟可以应用在很多物理问题中, 比如制备各种各样的初态, 自旋波色子系统和复杂的多体费米-波色系统的热化以及进行量子计算。考虑到模拟开放量子体系的重要性, 高效实现代表最广义的量子动力学的量子通道非常关键。一个常用且直接的模拟开放量子体系的方法称为Stinespring扩大法则, 它通过扩大希尔伯特空间, 将环境纳入系统内构成一个更大的封闭体系。该方法的缺点就是需要将维度扩大到原系统的立方倍。在高维情况下, 这种方法不再高效。在这里, 研究者给出一种可以通过单比特门和CNOT 门组合实现任意单比特通道的新方法。这个方案是一个不涉及经典随机发生器的完全量子化的算法。研究者的方法可以同时实现对应于一个通用通道的四个Kraus算子, 并且可以获得系统在经历任意一个Kraus算子后的演化信息。这个算法最多需要两个辅助比特来模拟环境对工作比特进行控制操作。算法里只有单方向的控制操作, 不依赖于工作系统的状态, 使得其更容易扩展到高维度。

研究者在IBM 的5比特的量子云计算机上实现了构造任意单比特通道的算法, 并且研究了在特征化通道容量里处于根基地位的纠缠保真度, 纠缠熵和相干信息三个物理量。进一步的数值模拟了通用的单比特通道容量并且分析了三类重要的影响量子系统的噪声通道的通道容量。计算结果反应出了量子系统在特定通道处理量子信息的效率和可靠性。

对于高维度的系统, 该研究提出的方法在门的复杂度上的表现相比于标准的Stinespring方法有明显的提高。对通用单比特通道的各种性质和不同通道的通道容量的探究, 对于振幅衰减通道, 相位衰减通道, 幺正映射通道的通道容量分析, 在量子通信和量子信息里具有潜在的应用价值。

Wei Shi-Jie, Xin Tao, Long Gui-Lu. Efficient universal quantum channel simulation in IBM’s cloud quantum computer. SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 61(7), 070311(2018); 10.1007/s11433-017-9181-9

http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SCPMA/61/7/10.1007/s11433-017-9181-9?slug=full%20text

https://doi.org/10.1007/s11433-017-9181-9