Xóa thông tin lượng tử hợp tác

Xóa thông tin lượng tử hợp tác

Dấu thời gian: Ngày 23 tháng 2023 năm 10 38:XNUMX sáng
Nút nguồn: 2027649

Lorenzo Buffoni1,2 và Michele Campisi3

1Viện lượng tử Bồ Đào Nha, Lisbon, Bồ Đào Nha
2Khoa Vật lý và Thiên văn học, Đại học Florence, 50019 Sesto Fiorentino, Ý
3NEST, Istituto Nanoscienze-CNR và Scuola Normale Superiore, I-56127 Pisa, Ý

Tìm bài báo này thú vị hay muốn thảo luận? Scite hoặc để lại nhận xét về SciRate.

Tóm tắt

Chúng tôi chứng minh một giao thức xóa thông tin đặt lại qubit $N$ cùng một lúc. Phương pháp này hiển thị các hiệu suất đặc biệt về chi phí năng lượng (nó hoạt động gần bằng chi phí năng lượng Landauer $kT ln 2$), thời lượng ($sim mu s$) và tỷ lệ xóa thành công ($sim 99,9%$). Phương pháp này khác với mô hình làm mát thuật toán tiêu chuẩn bằng cách khai thác các hiệu ứng hợp tác liên quan đến cơ chế phá vỡ đối xứng tự phát được khuếch đại bởi hiện tượng đường hầm lượng tử. Giao thức xóa lượng tử hợp tác như vậy được thể hiện bằng thực nghiệm trên một máy ủ lượng tử thương mại và có thể dễ dàng áp dụng trong các máy tính lượng tử dựa trên cổng lai / ủ lượng tử thế hệ tiếp theo, để khởi tạo các đơn vị xử lý lượng tử nhanh, hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

Hình ảnh nổi bật: Quỹ đạo của một số lần chạy giao thức thiết lập lại hợp tác trong chế độ cổ điển (trái) và lượng tử (phải).

Trình bày về một số kết quả ban đầu của công trình này tại Hội nghị Nhiệt động lực học lượng tử 2022 của Michele Campisi

Tóm tắt phổ biến

Để tính toán lượng tử có hiệu quả, người ta cần đặt lại các đơn vị logic lượng tử, cái gọi là qubit, ở các trạng thái được xác định rõ. Số lượng qubit tham gia vào tính toán lượng tử càng lớn thì việc đặt lại càng chính xác để tính toán trở nên đáng tin cậy.

Thao tác đặt lại thường được thực hiện trên từng qubit riêng lẻ. Thay vào đó, trong công việc của chúng tôi, nhiều qubit được thiết lập lại cùng một lúc, bằng một cơ chế mà chúng tôi gọi là “xóa thông tin lượng tử hợp tác”. Tại đây, các qubit được phép tương tác trong quá trình đặt lại, theo cách mà chúng hợp tác thúc đẩy quá trình đặt lại của nhau. Hơn nữa, phát hiện của chúng tôi cho thấy rằng việc thêm một chút lượng tử có thể nâng cao đáng kể chất lượng của quá trình đặt lại.

Phương pháp này đã được chứng minh trên một máy tính lượng tử thực và được quan sát là mang lại kết quả đặc biệt về độ chính xác, thời gian thực hiện và mức tiêu thụ năng lượng.

► Dữ liệu BibTeX

► Tài liệu tham khảo

[1] https://​/​docs.dwavesys.com/​docs/​latest/​index.html, Được truy cập vào năm 2022.
https://​/​docs.dwavesys.com/​docs/​latest/​index.html

[2] Alexia Auffèves. Các công nghệ lượng tử cần một sáng kiến ​​năng lượng lượng tử. PRX Quantum, 3: 020101, 2022. 10.1103/PRXQuantum.3.020101.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.3.020101

[3] J. Baugh, O. Moussa, CA Ryan, A. Nayak, và R. Laflamme. Thực hiện thử nghiệm làm mát thuật toán tắm nhiệt bằng cách sử dụng cộng hưởng từ hạt nhân trạng thái rắn. Thiên nhiên, 438 (7067): 470–473, 2005. 10.1038/​nature04272. URL https://​/​doi.org/​10.1038/​nature04272.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên04272

[4] Marcello Benedetti, John Realpe-Gómez, Rupak Biswas và Alejandro Perdomo-Ortiz. Ước tính nhiệt độ hiệu quả trong máy ủ lượng tử cho các ứng dụng lấy mẫu: Một nghiên cứu điển hình với các ứng dụng khả thi trong học sâu. Đánh giá Vật lý A, 94 (2): 022308, 2016. 10.1103/​PhysRevA.94.022308. URL https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevA.94.022308.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.94.022308

[5] A. Bérut, A. Petrosyan và S. Ciliberto. Bình đẳng jarzynski chi tiết được áp dụng cho một thủ tục không thể đảo ngược về mặt logic. 103:60002, 2013. 10.1209/​0295-5075/​103/​60002.
https:/​/​doi.org/​10.1209/​0295-5075/​103/​60002

[6] Antoine Berut, Artak Arakelyan, Artyom Petrosyan, Sergio Ciliberto, Raoul Dillenschneider và Eric Lutz. Thực nghiệm xác minh nguyên lý Landauer liên kết thông tin và nhiệt động lực học. Thiên nhiên, 483 (7388): 187–189, 2012. https://​/​doi.org/​10.1038/​nature10872.
https: / / doi.org/ 10.1038 / thiên nhiên10872

[7] Antoine Bérut, Artyom Petrosyan và Sergio Ciliberto. Thông tin và nhiệt động lực học: kiểm chứng bằng thực nghiệm nguyên lý tẩy xóa của Landauer. J. Thống kê. Mech.: Theory Exp., 2015: P06015, 2015. 10.1088/​1742-5468/​2015/​06/​p06015.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1742-5468/​2015/​06/​p06015

[8] Lorenzo Buffoni và Michele Campisi. Sự phá vỡ đối xứng thăng giáng tự phát và nguyên lý Landauer. J. Thống kê. Phys., 186 (2): 31, 2022. 10.1007/​s10955-022-02877-8. URL https://​/​doi.org/​10.1007/​s10955-022-02877-8.
https:/​/​doi.org/​10.1007/​s10955-022-02877-8

[9] Lorenzo Buffoni, Stefano Gherardini, Emmanuel Zambrini Cruzeiro và Yasser Omar. Định luật thứ ba của nhiệt động lực học và quy mô của máy tính lượng tử. vật lý. Rev. Lett., (129): 150602, 2022. 10.1103/​PhysRevLett.129.150602. URL https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevLett.129.150602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.129.150602

[10] JI Cirac, AK Ekert và C. Macchiavello. Thanh lọc tối ưu các qubit đơn lẻ. vật lý. Rev. Lett., 82: 4344–4347, 1999. 10.1103/​PhysRevLett.82.4344.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.82.4344

[11] Massimiliano Esposito, Katja Lindenberg và Christian Van den Broeck. Sản xuất entropy như mối tương quan giữa hệ thống và hồ chứa. New J. Phys., 12: 013013, 2010. 10.1088/​1367-2630/​12/​1/​013013.
https:/​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​12/​1/​013013

[12] Marco Fellous-Asiani, Jing Hao Chai, Robert S Whitney, Alexia Auffèves, và Hui Khoon Ng. Những hạn chế trong tính toán lượng tử từ những hạn chế về tài nguyên. PRX Quantum, 2 (4): 040335, 2021. 10.1103/PRXQuantum.2.040335. URL https://​/​/​10.1103/​PRXQuantum.2.040335.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040335

[13] José Fernandez, Seth Lloyd, Tal Mor và Vwani Roychowdhury. Làm mát các spin theo thuật toán: một phương pháp khả thi để tăng độ phân cực. Tạp chí Quốc tế về Thông tin Lượng tử, 02: 461–477, 2004. URL https://​/​doi.org/​10.1142/​S0219749904000419.
https: / / doi.org/ 10.1142 / S0219749904000419

[14] R. Gaudenzi, E. Burzurí, S. Maegawa, HSJ van der Zant, và F. Luis. Xóa lượng tử Landauer bằng nam châm nano phân tử. tự nhiên Phys., 14 (6): 565–568, 2018. 10.1038/​s41567-018-0070-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41567-018-0070-7

[15] Momčilo Gavrilov và John Bechhoefer. Xóa mà không cần làm việc trong một thế năng giếng đôi không đối xứng. vật lý. Rev. Lett., 117: 200601, 2016. 10.1103/​PhysRevLett.117.200601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.200601

[16] Momčilo Gavrilov, Raphaël Chétrite, và John Bechhoefer. Phép đo trực tiếp entropy của hệ thống không cân bằng yếu phù hợp với dạng Gibbs-Shannon. Kỷ yếu của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, 114 (42): 11097–11102, 2017. 10.1073/​pnas.1708689114.
https: / / doi.org/ 10.1073 / pnas.1708689114

[17] N. Goldenfeld. Bài Giảng Về Sự Chuyển Pha Và Nhóm Tái Chuẩn Hóa. CRC Press, Boca Raton, ấn bản lần thứ nhất, 1. https://​/​doi.org/​1992/​10.1201.
https: / / doi.org/ 10.1201 / 9780429493492

[18] Rolf Landauer. Tính không thuận nghịch và sinh nhiệt trong quá trình tính toán. IBM J. Res. Dev., 5 (3): 183–191, 1961. 10.1147/​rd.53.0183.
https: / / doi.org/ 10.1147 / rd.53.0183

[19] Umesh V. Vazirani Leonard J. Schulman. Động cơ nhiệt quy mô phân tử và tính toán lượng tử có thể mở rộng. Trong STOC '99 Kỷ yếu của hội nghị chuyên đề ACM thường niên lần thứ 322 về lý thuyết điện toán, trang 329–1999, 10.1145. 301250.301332/​XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1145 / 301250.301332

[20] K. Likharev. Động lực học của một số thiết bị lượng tử từ thông đơn: I. lượng tử tham số. IEEE Transactions on Magnetics, 13 (1): 242–244, 1977. 10.1109/​TMAG.1977.1059351.
https://​/​doi.org/​10.1109/​TMAG.1977.1059351

[21] Juan MR Parrondo. Công cụ Szilard được xem xét lại: Entropy, tính ngẫu nhiên vĩ mô và chuyển pha phá vỡ đối xứng. Chaos, 11 (3): 725–733, 2001. 10.1063/​1.1388006.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.1388006

[22] Barbara Piechocinska. Tẩy xóa thông tin. vật lý. Rev. A, 61: 062314, tháng 2000 năm 10.1103. 61.062314/​PhysRevA.10.1103. URL https://​/​doi.org/​61.062314/​PhysRevA.XNUMX.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.61.062314

[23] John Preskill. Điện toán lượng tử trong kỷ nguyên NISQ và hơn thế nữa. Lượng tử, 2: 79, 2018. 10.22331 / q-2018-08-06-79.
https:/​/​doi.org/​10.22331/​q-2018-08-06-79

[24] Karel Proesmans, Jannik Ehrich và John Bechhoefer. Nguyên lý Landauer thời gian hữu hạn. vật lý. Rev. Lett., 125: 100602, 2020. 10.1103/​PhysRevLett.125.100602.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.125.100602

[25] Olli-Pentti Saira, Matthew H. Matheny, Raj Katti, Warren Fon, Gregory Wimsatt, James P. Crutchfield, Siyuan Han và Michael L. Roukes. Nhiệt động lực học không cân bằng của phép xóa với logic từ thông siêu dẫn. vật lý. Rev.Research, 2: 013249, 2020. 10.1103/​PhysRevResearch.2.013249.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.2.013249

[26] Leonard J. Schulman, Tal Mor và Yossi Weinstein. Giới hạn vật lý của làm mát thuật toán tắm nhiệt. vật lý. Rev. Lett., 94: 120501, 2005. 10.1103/​PhysRevLett.94.120501.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.94.120501

[27] Andrea Solfanelli, Alessandro Santini và Michele Campisi. Các phương pháp nhiệt động lượng tử để tinh chế một qubit trên một đơn vị xử lý lượng tử. Khoa học lượng tử AVS, 4 (2): 026802, 2022. 10.1116/​5.0091121.
https: / / doi.org/ 10.1116 / 5.0091121

[28] Philip Taranto, Faraj Bakhshinezhad, Andreas Bluhm, Ralph Silva, Nicolai Friis, Maximilian PE Lock, Giuseppe Vitagliano, Felix C. Binder, Tiago Debarba, Emanuel Schwarzhans, Fabien Clivaz và Marcus Huber. Landauer so với Nernst: Chi phí thực sự của việc làm mát một hệ thống lượng tử là bao nhiêu? arXiv:2106.05151, 2021. URL https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2106.05151.
https: / / doi.org/ 10.48550 / arXiv.2106.05151
arXiv: 2106.05151

Trích dẫn

Bài viết này được xuất bản trong Lượng tử dưới Creative Commons Ghi công 4.0 Quốc tế (CC BY 4.0) giấy phép. Bản quyền vẫn thuộc về chủ sở hữu bản quyền gốc như các tác giả hoặc tổ chức của họ.

Dấu thời gian:

Thêm từ Tạp chí lượng tử