叠加学堂superposition

振幅阻尼:能量泄漏长什么样

|1⟩ 会掉回 |0⟩,叠加态被慢慢拉向基态

概念7 分钟第 31 / 80 节更新于 2026-10-18

把比特制备到 |1⟩,然后什么都不做。过一会儿再测,它有相当一部分概率已经变成 |0⟩。没有人动它,能量自己漏走了——这条通道叫振幅阻尼,它的时间常数就是 T1。

|1⟩ 的指数衰减

物理图像不复杂:超导比特的激发态通过腔或传输线辐射掉一个光子,离子阱里则是自发辐射。衰减不是酉的,信息被环境带走了,你只看到布居数按 p1(t)=e−t/T1p_1(t)=e^{-t/T_1} 往下掉。

用算符语言写一句就够了。取 γ=1−e−t/T1\gamma=1-e^{-t/T_1},

E0=∣0⟩⟨0∣+1−γ∣1⟩⟨1∣,E1=γ∣0⟩⟨1∣E_0=|0\rangle\langle0|+\sqrt{1-\gamma}|1\rangle\langle1|,\qquad E_1=\sqrt{\gamma}|0\rangle\langle1|

E1E_1 把 |1⟩ 搬到 |0⟩,这就是「掉下去」那条分支;E0E_0 保留 |0⟩,同时把 |1⟩ 的振幅按 1−γ\sqrt{1-\gamma} 缩小。

对比另外两种噪声:相位噪声不改布居数,只压非对角元;比特翻是对称的,|0⟩ 与 |1⟩ 一样可能被翻。振幅阻尼两头都不对称——它只往基态方向推,而且有终点。有限温度下环境还会反向激发,稳态不再是纯 |0⟩,只是 |0⟩ 仍占多数。

|+⟩ 被拉向基态

对 |+⟩,衰减先改布居数:|1⟩ 的比重越来越小。同时非对角元按 e−t/(2T1)e^{-t/(2T_1)} 缩小,干涉随之变浅,纯度 中途会先掉下去。

终点值得多看一眼:t 很大时,态趋于纯态 |0⟩,不是混态,纯度回到 1。所以「回到基态」不等于「量子性恢复了」——它只是把信息全丢给了环境,剩下的那个态恰好很纯。在布洛赫球上,箭头一边向 +z 极点漂,一边变短。

只考虑能量弛豫时,T2 最多是 T1 的两倍;实际系统里总有纯相位噪声,T2 通常更短。测 T1 的办法很直接:制备 |1⟩、等不同时长、读布居数,再拟合指数。这也是为什么相干时间要分开报:T1 管能量,T2 管相位,只给一个数就看不出瓶颈在哪条通道上。

振幅阻尼只是让 |1⟩ 的概率慢慢变小,效果和相位噪声差不多。
它同时压低非对角元,并且只往基态方向推:终态是 |0⟩ 而不是某个混态。相位噪声不改布居数,也不会把态拉到一个极点上。
「概率变小」只是表面;阻尼同时压掉相干,而且不对称、有终点。
一句话结论

振幅阻尼描述能量泄漏:|1⟩ 的布居数按 e−t/T1e^{-t/T_1} 衰减,同时非对角元按 e−t/(2T1)e^{-t/(2T_1)} 缩小。对 |+⟩ 的结果不是停在混态,而是被拉向纯态 |0⟩——相干没了,纯度却回来了。它是 T1 的微观图像,也是 T2 上限的来源。

本节自测 · 3 题
未作答
01一个比特起初是 |+⟩,经历很长时间的振幅阻尼之后,最接近下面哪个态?
02某个比特的布居数明显向 |0⟩ 回落,同时干涉条纹越来越浅。最可能是什么在起作用?
03只考虑能量弛豫时,T2 与 T1 的关系是?