云量子计算机中的高效通用量子信道仿真-量子客
IBM量子云和实验量子电路

量子信道的研究是基础领域,并且承诺广泛的应用,因为任何物理过程都可以表示为量子信道,将初始状态转换为最终状态。使用量子云进行量子计算将成为未来的标准方法。IBM Q是业界首创的为云中的商业和科学构建商用通用量子计算机的计划。最近,一项研究展示了一种使用通用IBM云量子计算机实验构建量子信道的新算法,并研究了不同量子比特信道的性质。

由于费曼提出了量子计算机的概念,并设想高效模拟量子系统的可能性,在封闭系统量子模拟方面取得了重大进展。

而且,每一个实际的量子系统都是开放的系统,因为它不可避免地与环境耦合。因此,开放系统的量子模拟是一个同样重要且更普遍的研究课题。然而,开放量子系统模拟仍处于发展的早期阶段,这在很大程度上仍未探索。开放系统的量子模拟在一类物理问题中具有很强的应用前景,比如准备各种特殊的状态,自旋玻色子系统中的热化以及复杂的费米子玻色子系统,研究非平衡动力学以及执行通用量子计算。

考虑到开放量子系统的模拟的重要性,有效地执行代表最一般量子动态的量子信道是至关重要的。Stinespring扩张定理所提出的一种直接的方法是扩大系统以包含环境,这可以被视为一个更大的闭环量子系统。量子比特资源和单一运营商资源的成本使其在高维度上效率低下。

在这里,研究人员提出了一种新的方法,可以通过控制NOT操作确定性地实现通用量子比特信道。

该方法是在发生器中没有经典随机数的全量子算法,同时实现4个Kraus算子。

该算法需要两个最大量子位作为辅助系统,以通过在单量子位工作系统上执行受控操作来模拟环境。此外,从辅助系统到工作量子位只有单向控制操作,不依赖于单量子位工作系统的状态,使得该方法在更高维度上更通用和可扩展。与Stinespring膨胀相比,门的复杂性显着降低。

研究人员使用通用IBM云量子计算机实验性地演示了整个算法,并研究了不同量子比特通道的性质。它们说明了一般量子位量子通道的量子容量,它量化了可以保护的量子信息量。量子容量在不同信道中的行为揭示了哪种类型的噪声过程可以支持信息传输,哪些类型对保护信息具有太大的破坏性。理论预测和实验之间存在一致,这强烈支持了我们的方法。对于大型系统,与Stinespring膨胀相比,其方法性能的提高显着。此外,他们探索了通用量子位通道的性质,并计算出不同通道的量子容量。通过实现任意量子比特通道,本文为探索量子通道的各种性质和量子通信的新前景提供了一条通用的途径。