研究确定了降低量子资源噪声技术效率的限制

经常发现诸如量子计算机，量子感测设备和量子存储器之类的量子技术在速度和性能方面优于传统电子技术，因此可以很快帮助人们更有效地解决各种问题。尽管具有巨大的潜力，但大多数量子系统固有地易受错误和噪声的影响，这对于在现实环境中实现和使用它们构成了严峻的挑战。

为了使大规模实施量子技术成为可能，研究人员一直在尝试开发使它们对噪声更具弹性且更不易出错的技术。尽管其中一些方法(例如量子错误校正和容错)已被证明是有用的，并且现在已成为量子信息科学的基石，但在实际应用中限制量子系统性能的因素仍然知之甚少。

英国剑桥大学和加拿大外围理论物理研究所的研究人员最近试图对“纯化”噪声量子资源的技术局限性进行理论理解。在《物理评论快报》上发表的一篇论文中，他们从数学上证明了对纯化与实际应用相关的不同类型量子资源的方法的准确性和效率存在一系列通用限制，这些限制在量子技术的运行中起着关键作用。

进行这项研究的研究者之一刘子文告诉我们：“本文中讨论的思想和技术源于我们在较早的PRL论文之一中概述的一般'一次性量子资源理论'。” Phys.org。“关键思想是分析一种称为量子假设的信息理论量，以测试相对熵，该量被证明会引起从噪声状态到纯状态转换的普遍局限。”

Liu和他的同事使用数学定理证明了对纯噪声资源的净化程度存在一系列基本限制，这些限制源于量子力学定律。他们进行的计算几乎适用于所有类型的量子资源。

“更明确地说，对于通过任何免费协议(包括概率协议)将任何级别的嘈杂状态转换为任何目标纯资源状态的错误，我们得出了不重要的下限，并且发现即使达到完美的资源净化也是不可能的概率地，”刘解释。“特别是，在成功概率与协议准确性之间存在一个不小的折衷界限，类似于“不确定性关系”。”

这组研究人员提出的数学定理暗示着对蒸馏效率的严格限制，蒸馏是一种净化量子资源的技术，该技术是各种蓝图量子技术的基础。更具体地说，这些定理在魔术状态蒸馏的成本上引入了第一个明确的下限，这被认为是实现可伸缩和容错量子计算的领先方案。

刘说：“值得注意的是，我们的定理使我们对大规模量子计算和其他量子技术的必要资源成本有了第一个严格的了解。” “我们希望我们的结果将成为重要的指导方针，并在实际场景中找到广泛的应用。此外，我们正在编写有关将无纯化定理扩展到量子通道的后续工作，这直接适用于重要的动力学场景。例如量子通道仿真和电路综合，以使理论更完整。”

除了阐明量子技术的成本和局限性之外，这些发现还增进了对量子力学基本原理的理解。像著名的不停定理，不克隆定理和不确定性原理一样，它们引入的新的“不纯化”定理有望在量子物理学的科学和实践发展中发挥关键作用。将来，他们可能会引发关于如何达到这些极限的进一步研究，最终为在实际的实际应用中使用更高效的量子技术铺平道路。

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