Kvantteknik, som kvantdatorer, kvantavkänningsanordningar och kvantminne, har ofta visat sig överträffa traditionell elektronik i hastighet och prestanda, och kan därmed snart hjälpa människor att hantera en mängd olika problem mer effektivt. Trots deras enorma potential, de flesta kvantsystem är i sig känsliga för fel och brus, vilket utgör en allvarlig utmaning för att implementera och använda dem i verkliga miljöer.

För att möjliggöra storskalig implementering av kvantteknik, forskare har försökt utveckla tekniker som kan göra dem mer motståndskraftiga mot buller och mindre benägna att göra fel. Medan vissa av dessa metoder, såsom kvantfelskorrigering och feltolerans, har visat sig vara användbara och är nu hörnstenar inom kvantinformationsvetenskap, de faktorer som begränsar prestanda hos kvantsystem i verkliga tillämpningar är fortfarande dåligt förstådda.

Forskare vid University of Cambridge i Storbritannien och Perimeter Institute for Theoretical Physics i Kanada har nyligen försökt få en teoretisk förståelse av begränsningarna hos tekniker för att "rena" bullriga kvantresurser. I en tidning publicerad i Fysiska granskningsbrev , de bevisade matematiskt existensen av en serie universella gränser för noggrannheten och effektiviteten hos metoder för att rena olika typer av kvantresurser i samband med praktiska tillämpningar, som spelar en nyckelroll för kvantteknologiernas funktion.

"Idéerna och teknikerna som diskuteras i vår artikel kommer från den allmänna 'one-shot quantum resursteorin', som vi beskrev i ett av våra tidigare PRL-dokument, "Zi-Wen Liu, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Nyckelidén är att analysera en informationsteoretisk storhet som kallas kvanthypotesen som testar relativ entropi, som har visat sig inducera universella begränsningar av bullriga tillstånd till rena tillståndstransformationer."

Med hjälp av matematiska satser, Liu och hans kollegor bevisade en rad grundläggande begränsningar för i vilken utsträckning generiska bullriga resurser kan renas, som härrör från kvantmekanikens lagar. De beräkningar de genomfört gäller i stort sett alla typer av kvantresurser.

"Mer uttryckligen, vi härleder icke-triviala nedre gränser för felet att konvertera alla bullriga tillstånd i full rang till vilket som helst mål med rena resurser genom vilket fritt protokoll som helst (inklusive sannolikhetliga sådana) – och finner att det är omöjligt att uppnå perfekt resursrening, även sannolikt, " förklarade Liu. "Särskilt, det finns en icke-trivial avvägning mellan sannolikheten för framgång och protokollets noggrannhet, vilket är besläktat med en "osäkerhetsrelation."

De matematiska satser som introducerats av detta team av forskare antyder att det finns starka gränser för effektiviteten av destillation, en teknik för att rena kvantresurser som stöder ett brett utbud av ritade kvantteknologier. Mer specifikt, dessa satser introducerar de första explicita nedre gränserna för kostnaderna för magisk tillståndsdestillation, som anses vara ett ledande schema för att realisera skalbar och feltolerant kvantberäkning.

"Anmärkningsvärt nog, våra teorem gjorde det möjligt för oss att etablera den första rigorösa förståelsen av de nödvändiga resurskostnaderna för storskalig kvantberäkning och andra kvantteknologier, " Sa Liu. "Vi förväntar oss att våra resultat kommer att fungera som viktiga riktlinjer och hitta omfattande tillämpningar i praktiska scenarier. Dessutom, vi skriver ett uppföljningsarbete om att utvidga no-reningssatserna till kvantkanaler, som är direkt tillämpliga på viktiga dynamiska scenarier som kvantkanalsimulering och kretssyntes, för att göra teorin mer komplett."

Förutom att belysa kvantteknologiernas kostnader och begränsningar, resultaten förbättrar förståelsen av kvantmekanikens grundläggande principer. Som de berömda no-go-satserna, no-cloning theoremet och osäkerhetsprincipen, de nya "no-purification"-satserna de har introducerat förväntas spela avgörande roller i den vetenskapliga och praktiska utvecklingen av kvantfysiken. I framtiden, de skulle kunna starta ytterligare forskning om hur väl dessa gränser kan uppnås, i slutändan banar vägen för effektivare kvantteknologier för praktiska tillämpningar i den verkliga världen.

© 2020 Science X Network