---
title: "退相干通道与信息丢失互动实验｜Sandbox Physics"
description: "相位消失，是否也意味着能量损失？不一定。纯相位阻尼只破坏相干，布居不变，能量也不变。"
canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/labs/decoherence-channels/"
language: "zh-CN"
page_type: "lab"
alternate_languages:
  en: "https://sandboxphysics.com/labs/decoherence-channels/"
last_modified: "2026-10-28"
---

Q048 · 环境怎样改变一个量子比特

# 退相干通道与信息丢失

**相位消失，是否也意味着能量损失？** 不一定。纯相位阻尼只破坏相干，布居不变，能量也不变。弛豫到低温热库则会放出能量，最后落到基态。在三个基里都测一遍，就能分辨是哪一种。

把能级占据和相位一致性分开看。先预测相位阻尼会改变什么，再和冷浴中的弛豫比较。用三组独立的模拟计数检验末态；准备好了，再展开状态重建和衰减率拟合。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

通道是作用在两能级系统上的 Markov 过程，制备和读出都是理想的。Bloch 球的北极是基态。热浴给出两能级 Gibbs 占据。状态重建用径向投影，不是最大似然。传播得到的 Wilson 范围是近似的，不包括制备、探测和模型误差。相位阻尼可以不改变占据，零温弛豫则可能恢复纯度。

展开证据 · 计数、拟合与原始数据

模拟采集

## 用记录辨认是哪种噪声。

先预测哪些分量会变。然后在三个测量基下采集当前态，再采集一次时间扫描。彩色点和 95% Wilson 误差棒来自分别制备的样本，虚线是模型参考。

尚未采集记录。

### 从采集计数推断

$\text{—}$

### 当前态重建

$\widehat\rho=\text{—}$

$\text{—}$

当前计数与 95% 区间

| 测量基 | 正结果 / 总数 | 95% Wilson 区间 |
| --- | --- | --- |

模型密度矩阵 · 并非重建数据

$\rho=\frac{I+\boldsymbol r\cdot\boldsymbol\sigma}{2}$

最近原始事件 · 完整记录见 CSV

| 事件 / 批次 | 协议 / 测量基 | 时长（ms） | 结果 |
| --- | --- | --- | --- |

科学依据： [IBM Quantum · channels](https://quantum.cloud.ibm.com/learning/en/courses/tools-for-quantum-advantage/noise-and-errors) · [IBM Quantum · noise models](https://quantum.cloud.ibm.com/docs/en/guides/build-noise-models)

物理教程

## 重建通道之后的信息

**背景** 密度矩阵同时描述占据和相干，不同环境会以不同方式改变它们。

**为什么值得理解** 只测一个占据，判断不了纯度。三批分别制备的样本，才能凑齐重建单个 qubit 所需的互补信息。

先抓重点

- **核心问题**: 噪声能不能让纯态先变成混合态，最后又变回纯态？
- **一句话直觉**: 冷浴弛豫最后回到纯的基态；纯相位阻尼不动占据；退极化把状态推向最大混合态。

### 核心数学模型

#### 热弛豫与纯退相干

$$
r_z(t)=r_{z,\mathrm{eq}}+[r_z(0)-r_{z,\mathrm{eq}}]e^{-\Gamma_1t},\quad r_{x,y}(t)=r_{x,y}(0)e^{-(\Gamma_1/2+\Gamma_\varphi)t}
$$

北极是基态。速率非负，单位是每毫秒。横向衰减率包含纵向速率的一半。

#### 两能级 Gibbs 热浴

$$
q=\frac{1}{1+e^{hf_{01}/(k_BT_b)}},\quad r_{z,\mathrm{eq}}=1-2q
$$

热浴比例由显示的 GHz 能隙和 Kelvin 温度算出；零温时激发比例为零。这是一个有效热浴，不对应具体器件。

#### 从计数重建

$$
\widetilde r_j=2\frac{n_{j,+}}{N_j}-1,\quad \widehat{\boldsymbol r}=\frac{\widetilde{\boldsymbol r}}{\max(1,|\widetilde{\boldsymbol r}|)},\quad \widehat\rho=\frac{I+\widehat{\boldsymbol r}\cdot\boldsymbol\sigma}{2}
$$

每个基都用单独制备的一批样本。径向 Euclidean 投影把估计拉回 Bloch 球内，保证状态是物理的；它不是最大似然，样本有限时可能带来偏差。

#### 纯度与熵

$$
\mathcal P=\frac{1+|\boldsymbol r|^2}{2},\quad S=-\sum_{\pm}\lambda_\pm\log_2\lambda_\pm,\quad\lambda_\pm=\frac{1\pm|\boldsymbol r|}{2}
$$

把各分量的近似联合 Wilson 区间传播下去，得到偏保守的纯度和熵范围。这些范围不含制备和测量的系统误差。

### 常见难点

#### 噪声不一定一直降低纯度

**容易误解** 所有通道都会让纯度一直下降。

**正确理解** 幅度阻尼不是保单位通道，能把 qubit 带到纯的基态；它和退极化、相位阻尼都不同。

#### 不是对同一个 qubit 连测三次

**容易误解** 三份记录是对同一个 qubit 先后测的三次。

**正确理解** 每个采集结果都来自一次新制备；三批样本的平均值，分别估计状态的互补分量。

#### 物理估计不等于器件认证

**容易误解** 投影后得到物理态，就说明探测器和通道都没问题。

**正确理解** 投影只是统计上的约束。模型假设制备和读出都理想；真实器件标定和过程层析不在本实验范围内。

### 动手实验

1. 01

   #### 在三个基下采集

   选择热弛豫，采集三个基，再打开重建的密度矩阵和计数表。

   **你会看到：** 绿色的重建态只来自计数；紫色状态和虚线是另外的模型参考。

2. 02

   #### 让能量流进冷浴

   选择冷浴中的激发态，采集一次时间扫描。把作用时间从零拖到中间，再拖到四毫秒。

   **你会看到：** 纵向占据在变，纯度先降后升。输入缺少横向相干时，拟合会提示结果辨识不足。

3. 03

   #### 只损失相位

   选择仅相位损失，采集一次时间扫描。

   **你会看到：** 纵向概率保持不变，横向概率趋近二分之一。占据没有弛豫，熵却在增加。

4. 04

   #### 考验重建

   选择无噪声，减少测量次数后采集三个基，再增加次数。也试试无极化输入。

   **你会看到：** 采样涨落可能让原始 Bloch 向量跑到球外。投影恢复了正性，不确定性依然看得见。无极化输入辨识不出退极化率。

物理结论

用三个测量基，才能分清占据变化和相干损失。每给出一个推断态，都要同时说明重建规则和不确定度。

## 相关实验与文章

量子物理证据 · 阅读路径

### 时钟、囚禁与单量子操控

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **怎样测量一个量子系统，还能接着研究它**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/single-quantum-measurement-backaction/)
2. [实验 **腔内量子激发交换** 看原子和腔来回交换一份激发](https://sandboxphysics.com/zh/labs/cavity-quantum-exchange/)
3. [实验 **荧光与量子跳跃** 从单个原子的荧光看量子跳跃](https://sandboxphysics.com/zh/labs/fluorescence-quantum-jumps/)
4. [实验 **离子运动边带谱** 用边带探测囚禁离子的运动](https://sandboxphysics.com/zh/labs/trapped-ion-sideband-spectroscopy/)
5. [文章 **腔中的猫态为何先失去相干，再慢慢失去能量**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/cavity-cat-coherence-energy-decay/)
6. [实验 **Kerr 猫态与 Wigner 干涉** 比较光子损耗、分支干涉与奇偶测量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/kerr-cat-interference/)
7. [实验 **量子态与过程层析** 对照态重建这项不同的任务](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-state-process-tomography/)
8. [文章 **让原子一个个数出腔里的光子**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/qnd-photon-counting-atomic-records/)
9. [实验 **腔光子无损计数与反馈** 积累探测原子结果，推断腔内光子数](https://sandboxphysics.com/zh/labs/cavity-photon-qnd-feedback/)
10. [实验 **Ramsey 测频与原子钟** 看相位怎样转成布居读数](https://sandboxphysics.com/zh/labs/ramsey-frequency/)
11. [文章 **让腔里的光子数回到指定目标**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/quantum-evidence/quantum-feedback-photon-number-verification/)
12. [实验 **量子纠错与错误综合征** 读出错误，保留编码消息](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-error-correction/)

量子与场 · 入门路径

## 从一次测量开始

先预测结果，再数一数实际测到了什么。从一个量子比特出发，一路走到波包、束缚态和双光子干涉。

[从这里开始 → **量子态与 Born 测量** 先预测一个概率，转动分析器，再拿预测和多次测量得到的频率比一比。 观察 · 15 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/qubit-state/)

1. [1 量子态与 Born 测量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/qubit-state/)
2. [2 Stern–Gerlach 顺序测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/stern-gerlach-sequence/)
3. [3 波包传播与不确定性](https://sandboxphysics.com/zh/labs/wave-packet-uncertainty/)
4. [4 量子谐振子态工作台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-harmonic-oscillator/)
5. [5 路径标记与量子擦除](https://sandboxphysics.com/zh/labs/quantum-eraser/)
6. [6 Hong–Ou–Mandel 两光子干涉](https://sandboxphysics.com/zh/labs/hong-ou-mandel/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/quantum/#starter-path)