量子信息科學(xué)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域，具有徹底改變計(jì)算、通信和傳感技術(shù)的潛力。然而，該領(lǐng)域的一個(gè)重大挑戰(zhàn)是保護(hù)量子信息免受退相干和噪聲的影響。退相干是指量子相干性的喪失，這對(duì)于維持量子計(jì)算和通信所需的量子態(tài)至關(guān)重要。傳統(tǒng)的保護(hù)量子信息的方法通常依賴于噪聲的時(shí)間自相關(guān)性，但當(dāng)存在其他類型的相關(guān)性時(shí)，這些方法可能并不理想。最近，發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一項(xiàng)研究，利用相關(guān)噪聲的破壞性干涉來(lái)保護(hù)量子信息。

理解量子噪聲和退相干

量子系統(tǒng)對(duì)其環(huán)境非常敏感，與外部噪聲的相互作用會(huì)導(dǎo)致退相干。量子系統(tǒng)中的噪聲大致可以分為兩類：不相關(guān)（或白）噪聲和相關(guān)噪聲。不相關(guān)噪聲獨(dú)立地影響系統(tǒng)的每個(gè)部分，而相關(guān)噪聲則涉及系統(tǒng)不同部分之間的依賴性。相關(guān)噪聲可能來(lái)自各種來(lái)源，如環(huán)境波動(dòng)或量子系統(tǒng)不同組件之間的相互作用。

退相干是一個(gè)過(guò)程，其中量子系統(tǒng)由于與環(huán)境的相互作用而失去其相干疊加態(tài)。這種相干性的喪失對(duì)量子信息處理是有害的，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致量子計(jì)算中的錯(cuò)誤和量子通信中的信息丟失。

傳統(tǒng)的噪聲保護(hù)策略

傳統(tǒng)上，保護(hù)量子信息免受噪聲影響的傳統(tǒng)策略包括量子糾錯(cuò)、動(dòng)態(tài)解耦和退相干自由子空間。量子糾錯(cuò)涉及以一種允許檢測(cè)和糾正噪聲引起的錯(cuò)誤的方式編碼量子信息。動(dòng)態(tài)解耦使用控制脈沖序列來(lái)平均噪聲的影響。退相干自由子空間利用噪聲中的對(duì)稱性來(lái)隔離對(duì)某些類型噪聲免疫的量子系統(tǒng)部分。

雖然這些方法在某種程度上取得了成功，但它們通常依賴于關(guān)于噪聲性質(zhì)的假設(shè)，如其時(shí)間自相關(guān)性。當(dāng)噪聲表現(xiàn)出更復(fù)雜的相關(guān)性時(shí)，這些傳統(tǒng)方法可能不足以有效地保護(hù)量子信息。

相關(guān)噪聲的破壞性干涉

最新的保護(hù)量子信息的方法是利用相關(guān)噪聲的破壞性干涉。這種方法利用兩個(gè)噪聲源之間的互相關(guān)性來(lái)顯著延長(zhǎng)量子系統(tǒng)的相干時(shí)間。通過(guò)精心設(shè)計(jì)噪聲源及其相互作用，可以創(chuàng)造出噪聲來(lái)自不同源的破壞性干涉條件，從而有效地抵消對(duì)量子系統(tǒng)的不利影響。

破壞性干涉的概念在經(jīng)典物理學(xué)中是眾所周知的，它被用于在各種應(yīng)用中消除不需要的信號(hào)。在量子信息的背景下，這種方法可以應(yīng)用于相關(guān)噪聲以獲得類似的好處。通過(guò)使用兩個(gè)或多個(gè)相關(guān)噪聲源，研究人員可以設(shè)計(jì)出減少量子系統(tǒng)整體噪聲影響的干涉模式。

實(shí)驗(yàn)演示和結(jié)果

最近的實(shí)驗(yàn)工作證明了這種方法的可行性。研究人員使用鉆石中的氮空位 (NV) 中心實(shí)施了他們的技術(shù)，氮空位中心是量子技術(shù)的很有前途的平臺(tái)。NV 中心的電子自旋充當(dāng)量子比特。通過(guò)應(yīng)用兩個(gè)精心調(diào)整的激光脈沖，他們能夠操縱影響自旋的噪聲源之間的互相關(guān)。這種操縱導(dǎo)致破壞性干涉，有效地降低了量子比特所經(jīng)歷的總噪聲。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用交叉相關(guān)噪聲的破壞性干涉將量子系統(tǒng)的相干時(shí)間延長(zhǎng)了十倍。這種相干時(shí)間的顯著延長(zhǎng)提高了高頻量子傳感應(yīng)用的控制保真度和靈敏度。

影響和未來(lái)方向

通過(guò)相關(guān)噪聲的破壞性干涉保護(hù)量子信息的能力對(duì)量子技術(shù)的未來(lái)具有重要意義。這種方法為提高量子系統(tǒng)的性能和可靠性提供了新工具，使其在實(shí)際應(yīng)用中更具可行性。通過(guò)這種方法實(shí)現(xiàn)的相干時(shí)間延長(zhǎng)和控制保真度的提高可以惠及量子信息科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，包括量子計(jì)算、量子通信和量子傳感。

未來(lái)的研究可能會(huì)集中于優(yōu)化噪聲源和干涉模式的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更高水平的噪聲保護(hù)。此外，探索這種技術(shù)在不同類型的量子系統(tǒng)和噪聲環(huán)境中的應(yīng)用可以幫助推廣其益處。隨著量子技術(shù)的不斷進(jìn)步，保護(hù)量子信息免受噪聲影響將仍然是一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，而像相關(guān)噪聲的破壞性干涉這樣的創(chuàng)新方法將在克服這一挑戰(zhàn)中發(fā)揮重要作用。