量子计算机核心中量子混沌的出现及其调控

我们研究了标准通用量子计算机模型,其描述了一个现实的孤立量子计算机,具有个体量子比特能量涨落和残余短程量子比特间耦合。研究表明,在涨落和耦合相对于单量子比特能隙较小的情况下,谱具有带状结构,并且获得了一个重正化哈密顿量,其描述一个能带内的本征态性质。研究集中于计算机(”核心“)中具有最高态密度的中心能带。我们表明,在临界量子比特间耦合强度以上,量子混沌开始出现,导致计算机本征态的量子遍历性。在此 regime 下,理想量子比特结构消失,本征态变得复杂,计算机的可操作性被迅速破坏。我们确认量子混沌边界仅随量子比特数n线性减小,尽管多量子比特态间的间距随n指数下降。对量子计算机中时间演化的研究表明,在量子混沌 regime 中,理想(非相互作用)态迅速消失,并在短的混沌时间尺度后混合了指数多的态,该尺度对系统参数的依赖关系已被确定。在量子混沌边界以下,理想态可存活长时间并用于计算。结果显示,确实存在宽泛的参数区域使得量子计算机的高效运行成为可能。