Квантова декогерентність: T1/T2 дефазавання кубітів

Ядро: Квантовый декогерентность: T1/T2 кубит дефазирования

Изолированный кубит, подготовленный в состоянии суперпозиции — четкая, когерентная смесь его состояний 0 и 1 с хорошо определенной относительной фазой — согласно уравнению Шредингера оставался бы в этом чистом состоянии суперпозиции навсегда. Реальные кубиты никогда не изолированы: они находятся внутри физического устройства, окруженного шумной средой — случайные электромагнитные поля, колебания решетки, соседние дефекты, сама система управления и измерения — и это неизбежное взаимодействие со средой описывает декогерентность: постепенную потерю квантовой когерентности кубита по мере того, как его фазовая информация утекает в экологические степени свободы, которые никогда не измеряются или восстанавливаются.

Два различных часов описывают, как деградирует кубит, и путать их — самая распространенная ошибка для начинающих. T1, время релаксации, измеряет, сколько времени требуется возбужденному кубиту спонтанно перейти в основное состояние, высвобождая энергию в среду. T2, время дефазирования, измеряет, как долго суперпозиция кубита сохраняет хорошо определенную относительную фазу между его состояниями 0 и 1 до тех пор, пока случайные колебания окружающей среды не нарушат эту фазу — и T2 обычно меньше, чем T1, поскольку кубит может потерять свою фазовую информацию до того, как потеряет свою энергию.

Зменшення сфери блох до центру

Стан кубіта можна уявити як єдину точку — вектор Блоха — на або всередині одиничної сфери: чисті стани лежать точно на поверхні, а будь-яка втрата узгодженості змушує вектор всередину, до центру сфери, який представляє повністю змішаний, максимально невизначений стан. T2 розмивання зменшує компонент вектора в площині, перпендикулярній природному осі кубіта (екваторіальна, фазова компонента), а T1 розслаблення тягне вектор до основи поля до полюс стану землі. Спостерігаючи за спіраллю вектора Блоха всередину, а також його переміщення до одного полюса, ми бачимо одночасно вплив обох процесів.

Щільність матриці та чистота як єдине число

Достатньо чистий квантовий стан повністю описується вектором стану, але кубіт, що зазнає декогеренції, потребує більш загальної формалізму щільності матриці, який може представляти статистичні суміші, а також чисті суперпозиції. Одине число, витягнуте з цієї матриці – чистота, Tr(ρ^2), — відображає ступінь узгодженості стану: чистота дорівнює 1 для повністю чистого стану та зменшується до 1/2 (для одного кубіта) зі збільшенням декогеренції, коли стан наближається до повної суміші, що знаходиться в центрі сфери. Відстеження чистоти з часом є компактним способом спостерігати за процесом декогеренції без необхідності окремого огляду кожного елемента матриці.

Чому декогеренція є основним перешкодою для квантових комп'ютерів

Кожен квантовий алгоритм залежить від підтримки когерентних суперпозицій та контрольованого інтерферування між ними протягом усього часу обчислення, тому декогеренція – не незначна недоліковість, а першочервний практичний ліміт того, як довго може працювати реальний квантовий комп’ютер, перш ніж інформація в його кубітах ефективно витікатиме у невиміряний навколишній шум. Надпровідні кубіти, затримані йони та інші платформи значно відрізняються за досягнутими часами T1 та T2, що саме по собі залежить від того, наскільки добре вони ізольовані від – або спроектовані бути чутливими до – свого певного шуму. Розширення цих часів когерентності, поряд з корекцією помилок, є одним із центральних інженерних викликів у цій галузі.

Декогерування не є однаковим з колапсом вимірювання

Здебільшого привабливо порівнювати декогерування з раптовим колапсом, який передбачають у підручних посібниках щодо вимірювань, але ці два поняття є концептуально різними. Декогерування — це поступовий, безперервний процес – зв’язування фазової інформації кубіта з не виміряним середовищем – який, в принципі, можна було б скасувати, якщо точний стан цього середовища було б відстежено та відновлено, тоді як колапс вимірювання — це (все ще спірне) вибір однієї конкретної результату з цього взаємозв’язаного стану після того, як спостерігач або середовище ефективно зафіксував результат. Декогерування пояснює, чому суперпозиції перестають виглядати як когерентні для локального спостерігача; воно само по собі не вирішує глибше питання про те, чому будь-який один конкретний результат взагалі спостерігається.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Quantum Decoherence і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.