量子计算飞速发展，但能耗问题逐渐成为制约其进一步突破的关键瓶颈。近日，厦门大学贺达海教授团队在世界物理学顶级期刊Physical Review Letters上发表最新研究成果，提出量子比特重置（qubit reset）的通用理论框架，为解决量子计算能耗难题开辟新方向。
随着量子计算系统大规模部署，能耗问题日益突出。据预测，未来十年，全球数据中心能耗将占全球电力消耗的20%。量子比特重置作为基础操作，需将量子比特从任意混合态精准“清零”到纯态（即信息擦除）。根据Landauer原理，该信息擦除过程理论能耗下限是kTln2（k为玻尔兹曼常数，T为环境温度），但实际能耗高出该下限数个数量级。这是由于真实量子运算很难满足准静态理想条件，且需平衡速度与精度，导致能效与扩展性受限。
贺达海教授团队创新性地将环境分为收敛类和发散类，揭示了二者对能耗的差异化影响：收敛类环境中，给定时间或精度存在不可突破的极限，即便投入无限能量也无法超越；而发散类环境可通过能量投入实现任意快速的量子比特重置。
团队进一步发现，不同时长的最优控制协议存在“相似”特征：通过简单变量变换即可实现协议映射，大幅简化复杂优化计算，为量子器件设计提供关键理论工具。研究还表明，在短时极限的量子操作中，超欧姆玻色热库优势突出，当重置时间趋于零时，能耗-时间代价趋于零，为超高效量子比特重置带来可能。
这项研究深化了对非平衡量子过程的理解，为未来量子器件的工程实现提供理论工具，也能用于优化其他快速量子信息处理过程。该研究得到了国家自然科学基金面上项目、福建省自然科学基金等资助。
来源: 福建日报
