Декогерентизация состояний квантовых систем

В теории идеального квантового компьютера считалось, что квантовые суперпозиции, описывающие состояния регистра из L кубитов, остаются когерентными в процессе вычислений сколь угодно долго. Однако взаимодействие регистра с неконтролируемым окружением, неточности в значениях параметров управляющих импульсов, а также неконтролируемое взаимодействие кубитов между собой является источником декогерентизации квантового состояния . Декогерентизация означает, что когерентное состояние системы превращается в смешанное, описываемое матрицей плотности .

В описании системы матрицей плотности нет информации о фазах базисных состояний, что лишает систему свойств интерферировать или запутываться. По сути декогерентизация состояний квантовой системы означает ее классицизацию, т.е. переход в состояние, описываемое законами классической физики.

Из оценок следует, что процессы декогерентизации квантовых состояний компьютера «запрещают» существование полномасштабного (способного решать большие задачи) квантового компьютера. Для выхода из положения необходимо сократить время операции и увеличить время декогерентизации кубита. Уменьшить время операции можно путем увеличения напряженности управляющих полей. Однако напряженности управляющих полей ограничены сверху возбуждением нерезонансных переходов и возникновением других нелинейных эффектов. Увеличение времени декогерентизации (времени пребывания системы в когерентном состоянии) требует тщательного изучения всех возможных механизмов декогерентизации кубита и изоляции кубита от окружения, увеличения точности управляющих сигналов и т.п.

Однако все эти меры могут оказаться недостаточными для обеспечения необходимого времени вычислений. Необходимы способы стабилизации когерентного состояния компьютера на сколь угодно длительное время, чтобы можно было завершить вычисления любой задачи с «большим» (но полиномиальным) алгоритмом вычислений. Таким методом является метод квантовой коррекции ошибок.

Метод предполагает периодическую «очистку» состояния квантового компьютера от малых ошибок, возникших в векторе состояния в результате процессов декогерентизации за время после последней очистки. Предложены также «активные» методы подавления процессов декогерентизации. Однако квантовый метод коррекции ошибок представляет собой главную надежду исследователей на возможность построения полномасштабного квантового компьютера, работающего в когерентном состоянии сколь угодно длительное время.

Декогерентизация играет важную роль в появлении у тел классических свойств. Приведем классификацию тел по числу частиц, размерам и времени декогерентизации состояний орбитального движения электронов.

Таблица 15.1. Масштаб системы и время декогерентизации

Время существования когерентных состояний атомных и мезоскопических систем (10^-9 – 10^-12 с) позволяет наблюдать квантовые когерентные состояния современными экспериментальными методами. Времена существования микро и макроскопических тел в квантово-когерентных состояниях (10^-21 – 10^-32 с) таковы, что эти состояния не могут быть наблюдены в современных экспериментах.