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热量子位:量子计算机实用化的里程碑进展

Source:adminAuthor:admin Addtime:2020/07/08 Click:

量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机或传统计算机,量子计算用来存储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作。从精密的药物制造到搜索算法,在许多重要问题上,量子计算机都有望胜过传统计算机。

然而,设计一种可以在实际环境中制造和运行的量子计算机设备是一项重大的技术挑战。目前,世界各地正在开发的大多数量子计算机只能在绝对零度附近的超低温条件下才能工作,这需要极其庞大的制冷设备与非常昂贵的制冷成本,如果一旦将它们接入传统的电子电路,它们就会立即过热而丧失其作用。

但是现在,由澳大利亚、加拿大、芬兰和日本的科研团队为解决这一重大难题向前迈进了一大步。他们不需要将量子计算机处于绝对零度附近的超低温条件下才能工作。与全球正在探索的大多数量子计算机设计不同,通过一种称为热量子位的概念验证的量子处理器单元,打破了量子计算机实用化道路上所存在的最大障碍之一,他们的研究成果发表在今天的《自然》杂志上。

论文第一作者(下图左)为中国学者杨志焕(英文名:Henry Yang),系澳大利亚新南威尔士大学电气工程与电信学院量子计算和通信技术中心研究人员。该量子计算机原理验证实验由杨志焕博士进行,该研究团队负责人、论文作者之一、安德鲁·德祖拉克(Andrew Dzurak)教授(下图右)称杨志焕为“出色的实验物理学家”。

德祖拉克教授说:“我们的研究新成果为从量子计算实验设备到可实用的量子计算机开辟了一条通路,可用于现实世界的商业和政府应用。”研究人员在硅芯片上进行概念验证的量子处理器单元,工作温度为1.5开尔文(Kelvin)温度,比谷歌,IBM等公司使用超导量子位技术开发的主要竞争基础量子芯片技术高出15倍。

德祖拉克解释说:“这虽然仍很冷,但仅用几千美元的制冷量就可以达到这个温度,而不是将芯片冷却到0.1开尔文低温所需的数百万美元。”“尽管使用我们日常的温度概念对此难理解,但这种温度的增加在量子世界中是极其重要的。”研究人员认为,他们已经克服了阻碍量子计算机成为现实的最艰巨的障碍之一。

量子位对是量子计算的基本单位。如经典计算机模拟位一样,每个量子位都表征两个状态(0或1)以创建二进制代码。但是,与经典比特不同,量子位可以同时显示两种状态,即所谓量子“叠加”。

该研究团队开发的单元包含两个量子位,它们被限制在一对嵌入硅的量子点中成为热量子位。这样的研究结果可以使用现有的硅芯片工厂进行生产,并且无需数百万美元的冷却即可运行。与传统的硅芯片集成起来也将更加容易。

热量子位,或称热量子比特,英文:Hot Qubits,其概念比如下图所示,两个纠缠在一起的电子自旋量子位波函数(蓝色)嵌入到硅晶体振动状态场中,该振动状态称为声子(红色),可以传递热量。

热量子位通过两个量子位的单独相干控制,它突显了对未来量子系统和硅自旋量子位进行低温控制的潜力,非常类似于单个电子晶体管,可以集成在一个集成封装中。将控制电子器件和自旋量子位集成在同一芯片上,极大地简化了两者之间的互连。该方法能够利用其在高级封装和互连技术方面的专业知识,为实现量子实用性提供一条可扩展的途径。也就在同一期出版的《自然》杂志中还有另一篇论文专门论述热量子位最新研究成果。

《自然》杂志在同一天的刊物上同时刊登同一科研课题的两大研究成果,这在《自然》杂志历史上是相当少有的。看来,热量子位的研究确实“热”,它代表了当前量子计算机的研究“热”点与方向。

能够执行设计例如新药设计所需的复杂计算的量子计算机,将需要数百万个量子位对,通常被认为至少还需要十年。对数百万个量子位的需求对设计人员提出了巨大挑战。德祖拉克教授解释说:“添加到系统中的每个量子位对都会增加所产生的总热量,并且增加的热量会导致错误。这就是为什么当前的设计需要保持接近绝对零度的主要原因。”

这一研究成果将有可能使用常规的硅芯片代工厂创建更温暖、更便宜和更强大的量子计算机,是量子计算机迈向实用化道路上的里程碑进展。