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为可扩展量子计算开辟新道路

更新时间:2020-09-12 19:37点击:

  去年,谷歌生产了一个53量子比特的量子计算机,它可以比世界上最快的超级计算机更快地执行特定的计算。像当今大多数最大的量子计算机一样,该系统拥有数十个量子比特,即量子比特的量子对应物,可在常规计算机中对信息进行编码。

为可扩展量子计算开辟新道路

  为了制造更大,更有用的系统,当今的大多数原型都必须克服稳定性和可扩展性的挑战。后者将需要增加信号和布线的密度,而这在不降低系统稳定性的情况下很难做到。我相信,RIKEN的超导量子电子研究团队在过去三年中与其他机构合作开发了一种新的电路布线方案,这为在未来十年内扩展至100或更多量子位打开了大门。在这里,我讨论如何。

  量子计算机使用基于量子力学原理的复杂相互作用来处理信息。为了进一步解释这一点,我们必须了解量子位。量子计算机是由各个量子位构建而成的,这些量子位类似于常规计算机中使用的二进制位。但是,一个量子位需要维持一个非常脆弱的量子状态,而不是一个位的零或一个二进制状态。量子位不仅可以是零或一,还可以处于一种称为叠加的状态,即它们同时处于零和一的状态。这允许基于量子位的量子计算机针对每个可能的逻辑状态(零或一个)并行处理数据,因此,与基于计算机的特定类型问题相比,它们可以执行更高效,更快的计算。

  但是,与传统位相比,创建量子位要困难得多,并且需要对电路的量子力学行为进行完全控制。科学家们提出了一些可靠的方法。在RIKEN,使用一种具有称为约瑟夫森结的元素的超导电路来创建有用的量子力学效应。通过这种方式,现在可以使用半导体工业中常用的纳米加工技术可靠且重复地生产量子位。

  可伸缩性的挑战来自于这样一个事实,即每个量子位都需要进行布线和连接,以产生具有最小串扰的控件和读数。当我们经过微小的二乘二乘或四乘四乘的量子位阵列时,我们已经意识到可以包装相关布线的密度,并且我们不得不创建更好的系统和制造方法来避免布线字面上越过。

  在RIKEN,我们使用自己的接线方案构建了一个四乘四的qubit阵列,其中到每个qubit的连接是从芯片背面垂直进行的,而不是其他组使用的单独的“倒装芯片”接口将布线焊盘带到量子芯片的边缘。这涉及到一些复杂的制造过程,需要通过硅芯片密集排列的超导通孔(电连接)阵列,但它应该允许我们扩展到更大的器件。我们的团队正在努力开发一种64量子位的设备,我们希望在未来三年内能够实现。接下来的五年中,将有一个100量子位的设备作为国家资助的研究计划的一部分。该平台最终应允许在单个芯片上集成多达1,000 qubit。

  量子计算机的另一个主要挑战是如何应对量子位固有的脆弱性,以应对温度等外界力引起的波动或噪声。为了使量子位起作用,需要将其保持在量子叠加或“量子相干”状态。在超导量子位的早期,我们可以使这种状态持续仅十亿分之一秒。现在,通过将量子计算机冷却至低温并创建其他几种环境控制措施,我们可以将一致性保持长达100微秒。平均几百微秒将使我们能够在丢失一致性之前执行数千次信息处理操作。

  从理论上讲,解决不稳定问题的一种方法是使用量子错误校正,即利用几个物理量子位对单个“逻辑量子位”进行编码,然后应用一种可以诊断和修复错误的纠错协议来保护逻辑量子位。但是,由于许多原因,实现这一目标仍遥遥无期,其中最重要的就是可伸缩性问题。

  自1990年代以来,量子计算才成为大事。当我开始时,我对我的团队是否可以在电路内创建和测量量子叠加态感兴趣。那时,整个电路是否可以机械地表现量子还不是很清楚。为了在电路中实现稳定的量子比特并在电路中创建导通和关断状态,电路还需要能够支持叠加状态。

  我们最终想到了使用超导电路的想法。超导状态没有任何电阻和损耗,因此可以简化以响应较小的量子力学效应。为了测试该电路,我们使用了一个由铝制成的微型超导岛,该岛通过一个约瑟夫森结(一个被纳米厚度的绝缘势垒隔开的结)连接到了一个较大的超导接地电极上,并且捕获了穿过该结的隧穿的超导电子对。交界处。由于铝岛的小巧,由于带负电的一对之间被称为库仑阻塞的效应,它最多可以容纳一对多余的铝。岛中零个或一对多余对的状态可以用作qubit的状态。量子力学隧穿维持量子位

  由于其非常微妙的性质,量子计算机不太可能在不久的将来进入家庭。但是,认识到面向研究的量子计算机的巨大好处,谷歌和IBM等工业巨头以及世界各地的许多初创公司和学术机构都在加大对研究的投资。

  具有完全错误校正功能的商业量子计算平台可能仍需要十多年的时间,但是最新的技术发展已经带来了新的科学和应用的可能性。较小规模的量子电路已经在实验室中执行了有用的任务。

  例如,我们将我们的超导量子电路平台与其他量子力学系统结合使用。这种混合量子系统使我们能够以前所未有的灵敏性来测量集体激发中的单个量子反应(无论是在磁体中的电子自旋,在基板中的晶格振动还是在电路中的电磁场的进动)。这些测量应增进我们对量子物理学以及量子计算的理解。我们的系统也足够敏感,可以测量单个光子在微波频率下,其能量比可见光光子低约五个数量级,而不会吸收或破坏它。希望这将成为连接远距离量子位模块等的量子网络的基础。

  将超导量子计算机连接到光量子通信网络是我们混合系统的另一个未来挑战。这将在未来的发展中发展,其中包括通过光缆连接的量子互联网,让人联想到当今的互联网。但是,即使是电信波长的红外光的单个光子也不能在不干扰量子信息的情况下直接撞击超导量子位,因此必须进行仔细的设计。我们目前正在研究混合量子系统,该系统通过其他量子系统将超导量子位的量子信号转换为红外光子,反之亦然,例如,涉及一个微小的声振荡器的量子系统。

  尽管有许多复杂的问题需要解决,但科学家可以看到,量子计算机的出现将使未来变得更加广阔。实际上,量子科学已经每天都在我们手中。如果不完全了解半导体中电子的性质,就永远不会发明晶体管和激光二极管,而这完全是基于对量子力学的了解。因此,通过智能手机和互联网,我们已经完全依赖于量子力学,并且将来我们只会变得更加如此。


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