【儀表網 研發快訊】隨著量子計算的快速發展，能耗問題逐漸成為制約其進一步突破的關鍵瓶頸。近日，廈門大學賀達海教授團隊在物理學頂級期刊Physical Review Letters上發表了一項關于量子計算能耗的最新研究成果。該研究提出了計算量子比特重置最小能耗和最優協議的一般理論框架。通過將環境分類，這一研究揭示了在不同環境下量子比特重置的顯著差異，并聚焦于短時極限下的性質，為高效量子計算提供了新的理論指引。
量子科技與量子計算正經歷爆發式發展，但隨之而來的能耗問題日益嚴峻。據預測，未來十年全球數據中心的能耗將占全球電力消耗的20%，而量子計算系統的大規模部署可能使這一問題更加突出。量子比特重置(qubit reset)是量子計算中的基礎操作，需要將量子比特從任意混合態(布洛赫球內部)精確“清零”至純態(球表面)，這一過程也被稱為信息擦除(圖1)。重置一個量子比特將產生多大能耗呢？根據Landauer原理，該信息擦除過程的能耗下限為kTln2(k為玻爾茲曼常數，T為環境溫度)。然而，現實中的能耗往往高出理論下限數個數量級。這是因為Landauer原理對應的準靜態理想條件在真實量子運算中難以實現，實際應用中需要同時滿足高速、高精度的操作需求。這種能耗與速度和精度之間的矛盾，嚴重制約了量子計算的能效與可擴展性。
為了突破這一瓶頸，近年來人們針對有限時間的量子比特重置開展了大量研究。一方面，研究者們通過普適的熱力學不等式得到了信息擦除的能耗下界。另一方面，人們也投入了大量精力研究特定環境下的有限時間最低能耗和對應的最優協議(protocol)，主要集中在長時極限區域。然而，實際中的重置操作要求極高的速度和精度(比如在300納秒內達到99%的精度)，這就要求從理論角度對短時極限下的擦除過程有更深層次的理解。
圖1 在布洛赫球上表示信息擦除過程。(a)任意初態使用最優協議重置到純態。(b)最大混合態使用最優協議重置到z方向基態。
研究團隊提出了一般性理論框架，用于確認任意環境和任意速度下信息擦除的最小能耗以及對應的最優協議，并揭示了環境類型對能耗的關鍵影響。研究團隊根據環境躍遷率的斂散性將環境劃分為兩類：收斂類和發散類。
•收斂類：給定精度(時間)，存在最小所需時間(最大精度)，即使投入無限能量也無法突破該時間(精度)限制；
•發散類：可以通過能量投入實現任意快速的量子比特重置。
圖2 (a)以費米熱庫為例的收斂類環境和(b)以s=1的玻色類熱庫為代表的發散類環境中的最小熱耗散關于錯誤率和擦除時間的等高線圖。可以看到收斂類環境中存在最大精度(或最小擦除時間)，而發散類環境中不存在該限制。
該研究重點討論了實際中所關心的快速驅動(短時)極限下，最優量子比特重置所滿足的規律。研究發現，環境類型主導能耗特征——收斂類在接近最小時間時呈現對數發散，而發散類在時間趨零時展現標度發散。更具實際價值的是，研究發現不同時長的最優控制協議存在一種近乎普適的“相似”特征：對于不同持續時間的重置過程，最優協議可以通過簡單的變量變換相互映射。這為復雜優化計算提供了重要簡化路徑，為實際量子器件設計提供了關鍵理論工具。研究團隊選取了典型的量子環境——費米熱庫(收斂類環境)和玻色熱庫(譜指數s=0時為收斂類環境，s>0時為發散類環境)——作為實例分析,闡述了一般理論性框架得出的結論。
圖3 在收斂類環境中，(a)熵產生隨擦除時間的變化, 滿足對數發散。(b)不同擦除時間下的最優協議，其中插圖表明這些最優協議的相似性。
圖4 在發散類環境中，(a)熵產生隨擦除時間的變化, 滿足冪律發散。(b)不同擦除時間下的最優協議，其中插圖表明這些最優協議的相似性。
有趣的是，研究表明玻色熱庫在量子比特重置中比費米熱庫更具優勢。這種差異源于熱庫的量子統計效應：玻色子允許多粒子占據同一能級，創造更多能量傳輸通道；而費米子受泡利不相容原理限制，費米熱庫的能量傳輸通道受限。特別值得注意的是，在短時極限下的量子操作中，超歐姆(super-Ohmic)玻色熱庫表現出了突破性優勢：當重置時間趨于零時，能耗-時間代價趨于零。這為超高效量子比特重置提供了一個令人興奮的理論可能。
這項研究不僅深化了對非平衡量子過程的理解，也為未來量子器件的工程實現提供了理論工具。該理論框架可以應用于其他快速量子信息處理過程的優化，如量子門操作和量子Szilard熱機等。相關研究成果以“Optimally fast qubit reset”為題，發表在Physical Review Letter上。課題組博士后劉越和博士生黃晨龍為論文共同第一作者，賀達海教授為論文通訊作者，博士后張星宇亦對論文研究做出了重要貢獻。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、理論物理專款、福建省自然科學基金和江西省自然科學基金的資助。
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