量子計算飛速發(fā)展，但能耗問題逐漸成為制約其進一步突破的關(guān)鍵瓶頸。近日，廈門大學(xué)賀達海教授團隊在世界物理學(xué)頂級期刊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，為解決量子計算能耗難題開辟新方向。
隨著量子計算系統(tǒng)大規(guī)模部署，能耗問題日益突出。據(jù)預(yù)測，未來十年，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“清零”到純態(tài)（即信息擦除）。根據(jù)Landauer原理，該信息擦除過程理論能耗下限是kTln2（k為玻爾茲曼常數(shù)，T為環(huán)境溫度），但實際能耗高出該下限數(shù)個數(shù)量級。這是由于真實量子運算很難滿足準靜態(tài)理想條件，且需平衡速度與精度，導(dǎo)致能效與擴展性受限。
賀達海教授團隊創(chuàng)新性地將環(huán)境分為收斂類和發(fā)散類，揭示了二者對能耗的差異化影響：收斂類環(huán)境中，給定時間或精度存在不可突破的極限，即便投入無限能量也無法超越；而發(fā)散類環(huán)境可通過能量投入實現(xiàn)任意快速的量子比特重置。
團隊進一步發(fā)現(xiàn)，不同時長的最優(yōu)控制協(xié)議存在“相似”特征：通過簡單變量變換即可實現(xiàn)協(xié)議映射，大幅簡化復(fù)雜優(yōu)化計算，為量子器件設(shè)計提供關(guān)鍵理論工具。研究還表明，在短時極限的量子操作中，超歐姆玻色熱庫優(yōu)勢突出，當重置時間趨于零時，能耗-時間代價趨于零，為超高效量子比特重置帶來可能。
這項研究深化了對非平衡量子過程的理解，為未來量子器件的工程實現(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程。該研究得到了國家自然科學(xué)基金面上項目、福建省自然科學(xué)基金等資助。
來源: 福建日報
