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量子位建立远距离关系,量子计算将实现飞跃

admin 恒达注册 2020-01-01 140 0

在信息飞速传递的今天,你肯定无法想象这样一个世界:人们只能与隔壁邻居交谈,信息必须挨家挨户地传递到遥远的目的地。

可是直到今天,硅量子计算机的硬件仍然是以这种低速的原始方式传递信息。不过,硅量子计算机却有望比如今的计算机更加便宜,具有更多功能。

创新

近日,美国普林斯顿大学(Princeton University)的团队已经突破了这一限制,演示了两个量子计算元件(所谓的硅“自旋”量子位),即使在计算机芯片上相距较远时,也可以相互交流。这项研究发表在《自然(Nature)》期刊上。

下图为这项的研究人员,左起:Xanthe Croot、Felix Borjans、Michael Gullans、Jason Petta。

普林斯顿大学物理系教授、这项研究的领导者杰森·佩塔(Jason Petta)表示:“在硅芯片上跨越这样的距离传递信息的能力,为我们的量子硬件解锁了新的功能。最终目标是将多个量子位排列在二维网络中,从而展开更加复杂的运算。从长期来说,这项研究可以帮助提升芯片上以及芯片间量子位的通信。”

两个相距遥远的硅基量子位器件之间的通信建立在佩塔研究团队先前的工作基础上。2010年《科学(Science)》杂志上的一篇论文中,团队表明有可能在量子阱中捕获单电子。在2012年的《自然(Nature)》杂志中,团队报道了将来自纳米线中电子自旋的量子信息传递到微波频率的光子,并在2016年的《科学(Science)》杂志中,展示了将来自硅基电荷量子位的信息传递到光子的能力。在2017年的《科学(Science)》杂志中,他们以展示了量子位中最邻近的信息交换。在2018年的《自然(Nature)》杂志上,他们展示了硅自旋量子位可与光子交换信息。

技术

量子计算机有望应对日常计算机所无法应对的挑战,例如大数的因式分解。传统二进制计算机存储信息用的是:比特位(0和1);量子计算机则是通过量子位表示量子信息。简单说,量子位可以是一个双态量子系统(例如:光子偏振态或电子自旋态等)。关键在于,量子位可同时处于“即是0又是1”的状态。

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IBM 四个超导量子位设备的布局图(图片来源:IBM研究院)

经典计算机中的两个比特位,在某一时刻,仅能存储4个二进制数:00、01、10、11中的一个。然而,量子计算机中的两个量子位可同时存储这四个数,因为每一个量子位可以同时表示两个值。也就是说,如果我们要读出这四个数时,只需要读取一次;经典计算机则需要顺序执行4次。当量子位继续增加时,系统所存储信息量就会呈指数方式增加。

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(图片来源:Tony Melov/UNSW)

为了兑现量子计算的承诺,这些未来派的计算机们将需要成千上万个可相互通信的量子位。如今,谷歌、IBM和其他公司实现的原型量子计算机含有几十个量子位,这些量子位通过涉及超导电路的技术制成,但是许多的技术专家认为硅基量子位从长远来看更具前景。

硅自旋量子位相对于超导量子位来说有几项优势。硅自旋量子位比竞争的量子位技术保持量子状态更长久。硅在日常计算机中被广泛使用,意味着硅基量子位能以低成本制造。

这种挑战部分来源于这样一个事实,即有单电子制成的硅自旋量子位非常小。英特尔公司量子硬件总监詹姆斯·克拉克(James Clarke)的团队正在采用英特尔的先进生产线打造硅量子位,但他并没有参与这项研究。他表示:“多个量子位之间的布线或者说‘互连’,是朝着大规模量子计算机目标迈进过程中所遭遇的最大挑战。为了证明自旋量子位可远距离耦合,杰森·佩塔的团队作出了巨大的努力。”

为此,普林斯顿大学的团队通过一种特殊的“线”来连接量子位。这种“线”能以一种类似将互联网信号传递给家庭的光纤线的方式携带光线。然而,这种情况下,这种线实际上是一个含有单光子的狭窄腔体,从一个量子位接收信息,并将它转递到下一个量子位。


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