量子計算機具體結構、如何產生控制量子態

一般來說,跟經典的控制系統一樣,量子控制大概有開環量子控制(open loop)和閉環量子控制(close loop)。開環量子控制主要有絕熱量子控制(adiabatic evolution),還有2010年提出來的shortcut to adiabaticity,在核磁共振系統中提出來的composite pulse control(這個已經用到看很多方面了),還有就是根據經典的優化控制理論得到的量子最優控制理論。而閉環量子控制就是引入了反饋信號(這個信號可以是經典的,也可以是量子的)。當然,跟經典控制一樣,閉環量子控制一定要比開環量子控制要好。但是其中很多問題還有待去解決,比如說如何讀取了量子信息,又不破壞量子態。量子控制本身還有許多問題,我們還弄不明白,不像經典控制中的自成體系,連最基本的量子可控性還沒有通用的理論。所以我們只是看到了一部分,還有很多研究可以做。

量子計算機具體結構、如何產生控制量子態

而量子計算中最根本的問題就是如何有效的控制一個邏輯門,比如說,舉個最簡單的例子,一個量子態要從ground state 到激發到excited state,我們該如何的去控制激光去有效的到達這個目標。一般來說量子控制要達到3個目標,

1. 快速。也就是說控制時間要短,這樣量子系統也不容易退相干(decoherence)。現在實驗上能保持量子態大概是毫秒級(當然不一樣的系統,退相干時間當然不一樣)

量子計算機具體結構、如何產生控制量子態

2. 魯棒性 robustness。這個對於任何控制都是很重要,我們不可能要求激光(相位,頻率,脈衝面積 pulse area)無限的精確。

3. 高的保真度high fidelity。可以這麼理解,就是控制的錯誤要儘可能的小。大概要多小才能進行有效的量子計算。一般要求的是10^-4這個級別。也就是說要99.9999%的fidelity。這個很難做到,換句話說,這也就是為什麼很多研究人員在做topological quantum computation(量子拓撲計算),還有很多量子coding,這些都是糾錯碼。也就是fidelity達不到 10^-4這個級別,我們所能找到的另一種途徑。這些量子coding的方法或多或少需要一些“量子資源”去製備。比如說需要多個qubit當一個邏輯qubit,或者需要製備許多entanglement。(量子拓撲計算是從物理上不受到 local noise的影響,本質上來說與其他的量子coding一樣,只是其他的量子coding是數學上的)

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