IBM & 本源量子联手破解量子退相干难题
IBM & 本源量子联手破解量子退相干难题
量子退相干是量子计算领域面临的重要挑战之一，它会导致量子信息丢失，严重影响计算的准确性和可靠性。近期，IBM和本源量子分别在这一领域取得了重要突破，为解决这一难题提供了新的思路和方法。
IBM：开放量子系统的长时间模拟
2025年1月，乔治城大学、IBM Quantum等机构的研究人员在《npj Quantum Information》期刊上发表重要研究成果。该研究团队在量子硬件上对开放量子系统进行了模拟研究，发现即便使用包含多达两千个纠缠门的深度线路，该模拟对硬件错误仍具有很强的鲁棒性。
研究背景与意义
自然界中的量子系统本质上是开放的，它们不可避免地会与环境相互作用。这种相互作用在许多学科领域都具有极其重要的意义。例如，在量子凝聚态物理中，泵浦-探测实验会将系统驱动到非平衡态；在化学领域，驱动和耗散在光化学反应以及腔增强反应中发挥着核心作用；核物理与高能物理里，重原子核的碰撞会引发非平衡动力学过程；量子光学中，腔量子电动力学则专注于研究腔内原子如何达到稳态。
理论方法与实验方案
研究团队采用Trotterized驱动-耗散映射的理论方法，通过在每个时间步应用Kraus算子来实现模拟。实验借助IBM提供的超导量子计算机ibmq_mumbai和ibmq_boeblingen开展，这两款设备配备了重置门，这对于模拟开放量子系统至关重要。
实验过程中，研究人员构建了量子线路，并采用了Qiskit Ignis的内置测量错误缓解协议对原始测量数据进行处理。尽管实验方案经过精心设计，但在运行深度量子线路时仍面临诸多挑战，如缓冲区溢出错误、驱动微波脉冲能力达到极限等。研究人员通过将作业拆分成较小部分、更换量子比特等方法应对这些问题。
实验结果与突破
研究结果显示，系统动力学将所有未受到某种保护的初始状态都映射到演化的不动点上，这个不动点就是周期性的非平衡稳态。通过对有噪声的结果进行外推，可以得到理想的极限情况。这种稳定性源于系统动力学的内在特性，加之这些问题在传统计算机上难以求解，驱动耗散问题成为近期量子计算的一个极佳应用方向。
这一突破不仅证明了在量子计算机上对驱动耗散系统进行建模的可行性，更重要的是展示了其在硬件层面上的内在稳定性，即便存在噪声和退相干的情况也是如此。这种稳定性为量子计算的实际应用开辟了新的道路。
本源量子：振幅编码专利创新
2024年8月，本源量子计算科技（合肥）股份有限公司申请了一项名为“一种振幅编码的量子线路构建方法及相关装置”的专利（公开号CN 119250211 A）。这一创新方法旨在通过提升振幅编码的有效性，解决在真实量子计算机中普遍存在的退相干问题。
技术原理与突破
专利摘要显示，本发明公开了一种振幅编码的量子线路构建方法及相关装置。具体而言，该方法包括获取一组包含多个数据值的数据值组，并构建一个包含第一量子比特和第二量子比特的量子线路。这个量子线路设计了多个依次作用于第一量子比特的旋转门和一个同时作用于两个量子比特的变分编码器，利用角度编码方式有效地将数据值嵌入到量子状态中。通过引入变分编码器，本方案显著减少了线路深度，这在很大程度上缓解了传统振幅编码所带来的退相干问题。
实际应用与前景
本源量子的这一新技术具备了颠覆性的潜力，可以广泛应用于量子计算、高效数据处理以及各种复杂问题的解决方案。这一创举不仅推动了量子计算的理论发展，还有望在实际应用中提升量子计算机的性能。业内专家指出，减少线路深度并有效解决量子退相干问题，能显著提高量子计算的可靠性和准确性，这对于高端应用如量子模拟、量子通信和量子优化等领域具有重要意义。
技术对比与未来展望
IBM和本源量子的方案从不同角度解决了量子退相干问题。IBM的研究侧重于通过改进算法和模拟方法来增强系统的鲁棒性，而本源量子则通过创新的线路设计和编码方法直接减少退相干的影响。两种方法各有优势，可以相互补充。
这些突破性进展为量子计算的实际应用开辟了新的道路。随着技术的不断发展和完善，我们有望在未来几年看到更多基于这些创新的商业化应用。特别是在解决复杂的金融分析、大规模数据库模式识别等高难度应用场景中，量子计算的优势将更加突出，颠覆现有的计算方式。
总的来说，IBM和本源量子的最新研究成果展示了量子计算领域正在快速进步。虽然仍面临诸多挑战，但这些突破让我们离实现可靠、实用的量子计算机又近了一步。随着研究的深入和技术的成熟，量子计算有望在不久的将来为科学研究和工业应用带来革命性的变化。