解密量子复杂性：精确计算量子比特有了开创性算法

研究人员推出了一种名为 "任意环境自动压缩（ACE）"的新算法，旨在研究量子比特与周围环境的相互作用以及随之而来的量子态变化。这种算法以费曼对量子力学的解释为基础，通过简化量子动力学的计算，为理解和利用量子系统提供了新的途径。其潜在应用包括量子电话和计算的进步，以及对量子相干性和纠缠的更精确预测。

虽然这看起来像是一个令人费解的悖论，但我们可以用一枚硬币做一个简单的类比来解释。经典的比特可以表示为一枚正面朝上或反面朝上（1 或 0）的硬币，而量子比特可以看作是一枚旋转的硬币，它也有正面和反面，但只有当它停止旋转，即失去其原始状态时，才能确定它是正面朝上还是反面朝上。

当旋转的硬币停止时，它可以作为量子测量的类比，即从量子比特的两种状态中选择一种。在量子计算中，不同的量子比特必须联系在一起，例如一个量子比特的 0（1）态必须与另一个量子比特的 0（1）态唯一相关。当两个或两个以上物体的量子态相互关联时，就称为量子纠缠。

量子纠缠的挑战

量子计算的主要困难在于量子比特被环境包围并与之相互作用。这种相互作用会导致量子比特的量子纠缠退化，从而导致它们之间的不纠缠。

用两枚硬币做类比有助于理解这一概念。如果同时旋转两枚完全相同的硬币，然后在短暂的时间后停止，那么它们最终可能都会出现相同的一面，要么是正面，要么是反面。旋转硬币之间的这种同步性可以比作量子纠缠。但是，如果硬币继续旋转的时间更长，它们最终会失去同步性，不再是同一面朝上--正面朝上或反面朝上。

失去同步性是因为旋转的硬币逐渐失去能量，主要是由于与桌面的摩擦，而每枚硬币都以独特的方式失去能量。在量子世界中，摩擦或与环境相互作用导致的能量损失最终会导致量子退相干，即量子比特之间失去同步性。这会导致量子比特失相，即量子态的相位（由硬币的旋转角度表示）随时间随机变化，从而导致量子信息丢失，使量子计算成为不可能。

高效表示的识别是全自动的，不依赖于任何先验近似或假设。资料来源：阿列克谢-瓦戈夫

量子相干与动力学

目前，许多研究人员面临的一个关键挑战是如何在较长时间内保持量子相干性。这可以通过精确描述量子态随时间的演变（也称为量子动力学）来实现。

来自 MIEM HSE 量子超材料中心的科学家与来自德国和英国的同事合作，提出了一种名为"任意环境自动压缩"（ACE）的算法，作为研究量子比特与其环境的相互作用以及量子态随时间变化的解决方案。

洞察量子动力学

"环境中振动模式或自由度的数量几乎是无限的，这使得量子动力学的计算特别具有挑战性。事实上，这项任务涉及计算单个量子系统的动力学，而它周围还有数以万亿计的其他量子系统。在这种情况下，直接计算是不可能的，因为任何计算机都无法处理。然而，并非所有的环境变化都具有同等重要性：那些与我们的量子系统保持足够距离的变化无法对其动力学产生重大影响。将环境自由度分为'相关'和'不相关'是我们方法的基础，"论文合著者、MIEM HSE 量子超材料中心主任阿列克谢-瓦戈夫（Alexei Vagov）说。

费曼解释和 ACE 算法

根据美国著名物理学家理查德-费曼（Richard Feynman）提出的量子力学解释，计算一个系统的量子态涉及到计算该状态所有可能实现方式的总和。这种解释假定量子粒子（系统）可以向所有可能的方向运动，包括向前或向后，向右或向左，甚至回到过去。必须将所有这些轨迹的量子概率相加，才能计算出粒子的最终状态。

"问题在于，即使是一个粒子也有太多可能的轨迹，更不用说整个环境了。我们的算法可以只考虑对量子比特动力学有重大贡献的轨迹，而忽略那些贡献微不足道的轨迹。在我们的方法中，量子比特及其环境的演化由张量来捕捉，张量是描述整个系统在不同时间点的状态的矩阵或数表。然后，我们只选择张量中与系统动力学相关的部分。

ACE 算法的意义

研究人员强调，"任意环境自动压缩"算法是公开的，并以计算机代码的形式实现。作者认为，它为精确计算多个量子系统的动力学提供了全新的可能性。特别是，这种方法可以估算出量子通信线路中纠缠的光子对解除纠缠的时间、量子粒子可以"远距离传送"的距离，或者量子计算机的量子比特失去一致性所需的时间。