接近海森堡极限的量子计算

《ACM Transactions on Quantum Computing》：Near-Heisenberg-limit Quantum Computing

量子计算中通过自旋-自旋磁相互作用实验实现了1.66×10^-34 J·s的最小可逆操作，验证了海森堡极限下的能量效率理论。该成果在AI和后量子密码学领域展现出高能效（接近海森堡极限）、高密度集成（单个原子/离子）、长相干时间（秒级）、高保真度（98%）和容错性（通过退相干自由子空间）等优势。

　　

摘要

量子计算的基本限制来自于普朗克常数（通过海森堡极限）。在给定时间内消耗的能量，或者在使用特定能量预算的情况下处理信息的速度，是量子计算的核心研究焦点。迄今为止，所实现的最小作用量（即能量-时间成本）大约为 $h=6.63\text{×}{10}^{?34}J?s$。在我们的研究中，我们通过自旋-自旋磁相互作用实验，实现了 ${10}^{?29}J?s$ 的作用量，从而可逆地操控单个自旋量子比特。通过遵循最小作用量原理，我们的理论和实验结果确定了所需的最小作用量。我们的发现突显了自旋量子计算机在计算密集型应用（如人工智能和后量子密码学）中的潜力，因为它们具有以下独特优势：1. 高能量效率（接近海森堡极限）；2. 高密度集成（每个量子比特仅需要一个原子/离子）；3. 长相干时间（数十秒）；4. 高保真度（98%）；5. 具有容错能力（通过无退相干子空间实现）。