防蝴蝶效应使量子计算机性能的新基准成为可能

利用量子“反蝴蝶效应”的研究解决了物理学中一个长期存在的实验问题，并建立了一种对量子计算机性能进行基准测试的方法。

“使用我们开发的简单，强大的协议，我们可以确定量子计算机可以有效处理信息的程度，它也适用于其他复杂量子系统中的信息丢失，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的量子理论家Bin Yan说。

退相干形式的噪声会消除复杂系统（如量子计算机）中的所有量子信息，因为它与周围环境相结合。另一方面，在量子混沌中扰乱的信息在整个系统中传播信息，保护它并允许它被检索。

相干性是一种量子状态，可实现量子计算，而退相干是指当信息泄漏到周围环境时，该状态的丧失。

“我们的方法借鉴了我们两年前发现的量子反蝴蝶效应，在单个循环中向前和向后演化了一个系统，因此我们可以将其应用于任何具有时间反转动力学的系统，包括量子计算机和使用冷原子的量子模拟器，”Yan说。

洛斯阿拉莫斯团队在IBM基于云的量子计算机上通过模拟演示了该协议。

无法区分退相干和信息混乱阻碍了对这一现象的实验研究。信息加扰最初是在黑洞物理学中研究的，已被证明与广泛的研究领域相关，包括多体系统中的量子混沌，相变，量子机器学习和量子计算。用于研究信息加扰的实验平台包括超导体，捕获离子和基于云的量子计算机。

量子反蝴蝶效应的实际应用

Yan和合著者Nikolai Sinitsyn在2020年发表了一篇论文，证明在量子计算机上向后演化的量子过程以破坏模拟过去的信息，当返回到现在时，几乎没有变化。相比之下，经典物理系统在来回时间循环中不可恢复地涂抹信息。

基于这一发现，Yan，Sinitsyn和合著者Joseph Harris，爱丁堡大学的研究生，作为洛斯阿拉莫斯量子计算暑期学校的参与者参与了目前的论文，开发了该协议。它准备一个量子系统和子系统，在时间上向前演化整个系统，在不同的子系统中引起变化，然后在相同的时间内向后演化系统。测量两个子系统之间的信息重叠显示加扰保留了多少信息，以及退相干损失了多少信息。