Kwantumtechnologieën, zoals kwantumcomputers, kwantumsensoren en kwantumgeheugen, bleken vaak beter te presteren dan traditionele elektronica in snelheid en prestaties, en zou zo mensen binnenkort kunnen helpen om een ​​verscheidenheid aan problemen efficiënter aan te pakken. Ondanks hun enorme potentieel, de meeste kwantumsystemen zijn inherent gevoelig voor fouten en ruis, wat een serieuze uitdaging vormt om ze in de echte wereld te implementeren en te gebruiken.

Om grootschalige implementatie van kwantumtechnologieën mogelijk te maken, onderzoekers hebben geprobeerd technieken te ontwikkelen die ze beter bestand zouden kunnen maken tegen ruis en minder vatbaar voor fouten. Hoewel sommige van deze methoden, zoals kwantumfoutcorrectie en fouttolerantie, zijn nuttig gebleken en vormen nu de hoekstenen van de kwantuminformatiewetenschap, de factoren die de prestaties van kwantumsystemen in real-world toepassingen beperken, zijn nog steeds slecht begrepen.

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge in het Verenigd Koninkrijk en het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Canada hebben onlangs geprobeerd een theoretisch begrip te krijgen van de beperkingen van technieken voor het "zuiveren" van lawaaierige kwantumbronnen. In een paper gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ze hebben wiskundig het bestaan ​​bewezen van een reeks universele limieten op de nauwkeurigheid en efficiëntie van methoden om verschillende soorten kwantumbronnen te zuiveren die verband houden met praktische toepassingen, die een sleutelrol spelen in het functioneren van kwantumtechnologieën.

"De ideeën en technieken die in ons artikel worden besproken, zijn afkomstig van de algemene 'one-shot quantum resource-theorie, ' die we hebben geschetst in een van onze eerdere PRL-papers, "Zi-Wen Liu, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het belangrijkste idee is om een ​​informatietheoretische hoeveelheid te analyseren, de kwantumhypothese die relatieve entropie test, waarvan is aangetoond dat het universele beperkingen veroorzaakt voor transformaties van ruis naar pure toestand."

Met behulp van wiskundige stellingen, Liu en zijn collega's hebben een reeks fundamentele beperkingen aangetoond met betrekking tot de mate waarin generieke luidruchtige bronnen kunnen worden gezuiverd, die voortkomen uit de wetten van de kwantummechanica. De berekeningen die ze hebben uitgevoerd, gelden voor vrijwel alle soorten kwantumbronnen.

"Meer expliciet, we leiden niet-triviale ondergrenzen af ​​voor de fout van het converteren van een full-rank luidruchtige toestand naar een willekeurige doel-pure-resource-toestand door een gratis protocol (inclusief probabilistische) - en ontdekken dat het onmogelijk is om perfecte resource-zuivering te bereiken, zelfs probabilistisch, Liu legde uit. "In het bijzonder, er is een niet-triviale afweging tussen de kans op succes en de nauwkeurigheid van het protocol, wat verwant is aan een 'onzekerheidsrelatie'."

De wiskundige stellingen die door dit team van onderzoekers zijn geïntroduceerd, impliceren het bestaan ​​van sterke grenzen aan de efficiëntie van distillatie, een techniek om kwantumbronnen te zuiveren die ten grondslag ligt aan een breed scala aan blauwgedrukte kwantumtechnologieën. Specifieker, deze stellingen introduceren de eerste expliciete ondergrenzen voor de kosten van magische toestanddestillatie, wat wordt beschouwd als een toonaangevend schema voor het realiseren van schaalbare en fouttolerante kwantumberekening.

"Opmerkelijk, onze stellingen stelden ons in staat om het eerste rigoureuze begrip te krijgen van de noodzakelijke resourcekosten van grootschalige kwantumcomputing en andere kwantumtechnologieën, " zei Liu. "We verwachten dat onze resultaten zullen dienen als belangrijke richtlijnen en brede toepassingen zullen vinden in praktische scenario's. Bovendien, we schrijven een vervolgwerk over het uitbreiden van de niet-zuiveringsstellingen naar kwantumkanalen, die direct van toepassing zijn op belangrijke dynamische scenario's zoals kwantumkanaalsimulatie en circuitsynthese, om de theorie completer te maken."

Naast het licht werpen op de kosten en beperkingen van kwantumtechnologieën, de bevindingen verbeteren het begrip van de fundamentele principes van de kwantummechanica. Zoals de gevierde no-go-stellingen, de niet-klonen stelling en het onzekerheidsprincipe, de nieuwe "niet-zuiverende" stellingen die ze hebben geïntroduceerd, zullen naar verwachting een cruciale rol spelen in de wetenschappelijke en praktische ontwikkeling van de kwantumfysica. In de toekomst, ze zouden kunnen leiden tot verder onderzoek naar hoe goed deze limieten kunnen worden bereikt, uiteindelijk de weg vrijmaken voor efficiëntere kwantumtechnologieën voor praktische toepassingen in de echte wereld.

© 2020 Wetenschap X Netwerk