面向 NISQ 时代超导量子处理器的多量子比特时变量子信道

近期实验研究表明，超导量子比特的弛豫时间（$T_1$）和退相干时间（$T_2$）随时间显著波动。为恰当考虑 $T_1$ 与 $T_2$ 参数的这种时变特性，一类称为时变量子信道（Time-Varying Quantum Channels, TVQC）的新型量子信道被提出。在先前工作中，多量子比特 TVQC 的实现被假定为对一个纠错块中所有量子比特相同，意味着描述 $T_1$ 与 $T_2$ 波动的随机变量在块间不相关，但在同一块内量子比特间完全相关。从物理上看，这些退相干参数的波动由量子比特与不稳定近共振二能级系统（TLS）的非相干耦合解释，这表明此类变化可能是系统各量子比特局部的。本文中，我们对多量子比特量子处理器 ibmq_quito、ibmq_belem、ibmq_lima、ibmq_santiago 和 ibmq_bogota 的弛豫时间波动进行相关性分析。我们的结果表明，假设超导量子比特的弛豫与退相干时间波动为系统各量子比特局部是合理的。基于这些结果，我们讨论了当纠错块的退相干参数波动在量子比特间不相关（且块间亦不相关）时的多量子比特 TVQC，我们将此情形命名为快速时变量子信道（FTVQC）。此外，我们基于一个称为遍历量子容量（ergodic quantum capacity）的量给出了一般 FTVQC 量子容量的下界。最后，我们用数值模拟研究了量子纠错码（QECC）在 FTVQC 上运行的性能。