MIT发现稳定量子比特的新方法,量子计算将迈向实用化

量子计算机是一种目前尚未实现的设备,虽然它进行某些计算的速度远高于传统计算机。它是基于反直觉的量子叠加原理,但是叠加效应很不稳定,因此寻找维持叠加效应的方法,是量子计算机走向实用化的主要障碍之一。

近日在《自然》杂志上,麻省理工学院研究人员发表了一种方法,该方法能够使由人造钻石构成的量子器件来维持叠加状态。这项工作将会是量子计算机迈向实用化的重要一步。

在很多工程领域,反馈是稳定一个物理系统的最好方式。你对物理系统的某个参数进行测量——例如,飞机的当前轨迹,或引擎的温度——然后基于此,产生控制信号来操纵系统回到预设的状态。

然而,测量行为会破坏叠加效应。因此长期以来,量子计算专家没有考虑引入反馈。

“量子计算界一直以来采用开环控制方法,”《自然》杂志论文通讯作者,麻省理工学院艾斯特-哈罗德·埃杰顿(Estherand Harold Edgerton)原子科学和工程副教授PaolaCappellaro说,“你设计好系统的状态,然后应用控制器并祈祷最好的结果出现——如果你已经对可能干扰系统状态的因素有了充分了解,那么最好结果有可能会像你预想的那样出现。但是,当你对系统干扰因素的认知不是十分全面时,反馈控制能够更加可靠。”

在《自然》杂志论文中,Cappellaro和他的博士研究生,目前在麦肯锡工作的Masashi Hirose报道了一种无须测量即可维持量子叠加的反馈控制方法。“我们提出了一种与传统控制方法完全不同的量子控制方法,”Cappellaro解释道。“因为控制方法本身是量子的,因此我们无须测量它的状态。”

氮原子-空穴结构

这个系统应用了金刚石中的氮原子-空穴结构。纯金刚石具有由碳原子组成的规则晶格结构。如果晶格中缺失一个碳原子,那么一个空穴将产生。如果与此同时,与空穴相邻的一个碳原子被一个氮原子取代,那么就产生了一个氮原子-空穴结构。

每个氮原子-空穴结构周围的碳原子能提供一组电子。这些电子具有自旋特性,该特性描述了它们的磁场方向。当电子处于强磁场中时(例如一块金刚石附近的永久磁铁),从属于氮原子-空穴结构的电子可能会向上、向下,或者处于向上和向下的量子叠加态。这形成了一个状态可以是0、1或量子叠加态的量子比特,与传统计算机的比特显著不同。

基于氮原子-空穴结构的量子比特(以下称氮-空比特)与其他量子比特相比有显著优势。首先,氮-空比特利用了金刚石的自身特性,因此免除了其他量子比特用来约束原子或离子的复杂硬件设备。其次,氮-空比特自身可以发射光子,因此从其中读取信息相对容易得多。特别是,由氮-空比特发射的光子可能自身处于量子叠加态,因此提供了一种量子信息传输方式。

本地控制机制

与电子一样,原子核同样存在自旋。Cappellaro 和 Hirose 使用氮原子的自旋态控制氮-空结构的电子自旋。首先,注入微波辐射使得电子的自旋处于叠加态。接下来,使用一串微波辐射脉冲使得氮原子处于某种特定的自旋态。

第二束功率更低的微波使得氮原子和氮-空结构所属电子的自旋发生纠缠,至此,氮原子和氮-空结构的自旋状态相互依赖。现在,氮-空比特可以用来进行量子计算。在实验中,Cappellaro 和 Hirose 只测试了一个氮-空比特组成的非门。非门是最基本的逻辑原件,功能是将输入的值取反。

因为氮原子和氮-空结构的自旋态是纠缠的,若计算过程存在扰动,则扰动会反应在氮原子的自旋态上。在计算完成后,第三束微波——其极化方向与第二束微波正交——使得氮原子和氮-空结构解除缠绕。研究人员将第四束微波射向系统,微波四在氮-空结构产生的效应取决于氮原子的状态。如果计算存在错误,那么微波四将修正该错误;如果计算无误,那么氮-空结构的状态将不受影响。

实验中,研究人员发现,在他们设计的反馈控制系统应用后,氮-空比特维持叠加态的时间比无反馈状态时要长1000倍。

“Cappellaro实现了相干控制,一种文献中已有讨论,但从未在实验中实现过的方法,”德国斯图加特大学物理学家Jörg Wrachtrup评论,“这篇文章揭示的要点是:若针对某问题,你设计了正确的方案,并找到了合适的实现方法,那么你会获得很好的结果——用相对简单的方式使电子自旋状态免于翻转和失相。”

“该技术相对于之前报道的技术——如用量子回波保护自旋状态——能更有效地降低噪声的影响,”德国乌尔姆大学物理学教授FedorJelezko评论,“特别地,Cappellaro团队的技术能更有效地降低高频噪声的影响。我相信该技术很快会实用化,成为量子计量学和量子计算领域的新标准。”

【翻译:离子心 ,来源:DeepTech深科技(mit-tr)

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  1. 在一些计算问题上,量子计算机提供了巨大的速度提升,因为它利用了被称为“纠缠”的奇特物理属性——其中一个微小颗粒的物理状态取决于对另一个的观测。在量子计算机中,“纠缠”是一种计算资源,相当于芯片的时钟周期或者传统计算机的内存。

    在最近刊登在《美国科学院学报》的论文中,来自IBM沃森实验室和麻省理工学院(MIT)的研究者展示了一个简单的量子计算系统,与过去相比,它的“纠缠”量有指数级提升。这意味着量子计算机或者量子信息设备的计算能力,已经接近我们实际运用需求的预期了。

    传统计算机的计算单位以比特命名,量子计算机以量子位命名。过去,研究者认为在某一类简单的量子系统中,“纠缠”的程度最好和量子位数的对数成比例。

    “人们其实并不关心系统的物理属性,系统在实验室条件下能实现什么才是大家关心的,比如系统日志的大小。”IBM沃森实验室的研究者表示,“我们所证明的是“纠缠”的规模是系统尺寸的平方根,它确实达到了指数级别”。

    这意味着原来1亿比特的量子计算机可以表述约10倍的“纠缠”数量,“纠缠”数量发生了指数级别变化。

    逻辑量子位与物理量子位

    这是因为在量子计算中,逻辑量子位和物理量子位之间存在区别。逻辑量子位是用于制定量子算法的抽象量子位。物理量子位是一部分物质,其量子状态是可控的,并且与其他量子位的量子状态相互“纠缠”。据说,拥有100个逻辑量子位的计算机已经超过了世界上所有常规计算机的计算能力。但是,这一点很难达成,对于通用量子计算机的理论设计而言,实现一个逻辑量子位需要100个物理量子位。多数物理量子位用于量子纠错和逻辑位之间的编码操作。

    由于保持大量子位组之间的“纠缠”是开发量子器件最大的障碍,因此从更小的量子位簇提取更多的“纠缠”可使量子计算装置更实用。

    量子位类似常规计算机中的比特位,但是比特位可以取值0或者1,量子位可以被“叠加”。这意味着它同时可以采取2个值。如果量子位被“纠缠”,它们可以同时承担所有可能的状态。一个量子位可以采取2个状态,两个量子位有4状态,3个有8个状态,四个有16个状态……从某种意义上说,评估“计算替代力”赋予量子计算机非凡的能力。

    在新论文的工作中,来自MIT的Peter Shor和Movassagh主要负责分析被称为自旋链量子位的系统。在量子物理学中,“旋转”描述了电子、原子或者分子磁场中定向的方式。Shor和Movassagh认为量子位可以有5种自旋状态:两个向上状态,两个对应向下状态,以及0或者称平坦状态。

    理论科学家其实已经证明自旋中的强纠缠,具有21个自旋态,并以复杂的方式彼此相互作用。但是,这样的系统在实验室中极难构建。

    自旋链

    一个自旋链可以被设想成彼此相邻排列的粒子序列。自旋链间的相邻颗粒的相互作用决定了系统的总能量。

    首先,Shor和Movassagh发现了所有净能量为零的自旋链的所有可能的集合。这意味如果某处有一个向上旋转,那么另一处一定有个向下的旋转。

    然后,他们考虑了自旋链的所有可能状态的叠加。但是,该论文的主要突破是将叠加转换为哈密尔顿算子的最低能量状态。

    哈密尔顿算子是在描述量子系统演化的标准时的一个矩阵。对于系统中的任何给定状态的粒子而言,哈密尔顿算子提供了系统总能量。

    Movassagh说,在过去的30年,没有人找到一个哈密尔顿算子的粒子,其最低能量状态非常多样。另外他说:“起初,我们想证明一个不同的问题,试图提出一个模型,证明一些关于纠缠的一般定理,一直失败;但是,由于失败,我们的模型变得越来越有趣,有些模型开始违背这个对数因子,最后,我们接受了这个事实。”

    来自弗吉尼亚大学的教授IsraelKlich说:“这是一个漂亮的结论,它确实激起了物理学家部分领域的兴趣,其结果非常简洁。这个相对简单的哈密尔顿算子的基态可以通过简单的组合方法来理解。受到这项工作的启发,我们最近在这个模型上引入了一个更加复杂的新变体,其实际上是“纠缠”的线性放缩。其可行性的原因在于,如果看看基态波函数,便很容易理解“纠缠”如何建立。这一点给了我们想法,如何串起更多‘纠缠’。”

    但是,来自牛津大学的JohnCardy认为MIT研究者的哈密尔顿算子并没那么简单。当我们有了物理上合理的哈密尔顿算子时,我们可以把它们写在表达式中,但是,想彻底解释这些元素的组合时,仍需要我们去探索。这其实就是科学发展的方式——你先找到一个样例,然后你可以找到其背后更多理论。

    编辑:谢伟伦
    参考:http://news.mit.edu/2016/simple-quantum-computers-1118

  2. 在一些计算问题上,量子计算机提供了巨大的速度提升,因为它利用了被称为“纠缠”的奇特物理属性——其中一个微小颗粒的物理状态取决于对另一个的观测。在量子计算机中,“纠缠”是一种计算资源,相当于芯片的时钟周期或者传统计算机的内存。

    在最近刊登在《美国科学院学报》的论文中,来自IBM沃森实验室和麻省理工学院(MIT)的研究者展示了一个简单的量子计算系统,与过去相比,它的“纠缠”量有指数级提升。这意味着量子计算机或者量子信息设备的计算能力,已经接近我们实际运用需求的预期了。

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    由于保持大量子位组之间的“纠缠”是开发量子器件最大的障碍,因此从更小的量子位簇提取更多的“纠缠”可使量子计算装置更实用。

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    在新论文的工作中,来自MIT的Peter Shor和Movassagh主要负责分析被称为自旋链量子位的系统。在量子物理学中,“旋转”描述了电子、原子或者分子磁场中定向的方式。Shor和Movassagh认为量子位可以有5种自旋状态:两个向上状态,两个对应向下状态,以及0或者称平坦状态。

    理论科学家其实已经证明自旋中的强纠缠,具有21个自旋态,并以复杂的方式彼此相互作用。但是,这样的系统在实验室中极难构建。

    自旋链

    一个自旋链可以被设想成彼此相邻排列的粒子序列。自旋链间的相邻颗粒的相互作用决定了系统的总能量。

    首先,Shor和Movassagh发现了所有净能量为零的自旋链的所有可能的集合。这意味如果某处有一个向上旋转,那么另一处一定有个向下的旋转。

    然后,他们考虑了自旋链的所有可能状态的叠加。但是,该论文的主要突破是将叠加转换为哈密尔顿算子的最低能量状态。

    哈密尔顿算子是在描述量子系统演化的标准时的一个矩阵。对于系统中的任何给定状态的粒子而言,哈密尔顿算子提供了系统总能量。

    Movassagh说,在过去的30年,没有人找到一个哈密尔顿算子的粒子,其最低能量状态非常多样。另外他说:“起初,我们想证明一个不同的问题,试图提出一个模型,证明一些关于纠缠的一般定理,一直失败;但是,由于失败,我们的模型变得越来越有趣,有些模型开始违背这个对数因子,最后,我们接受了这个事实。”

    来自弗吉尼亚大学的教授IsraelKlich说:“这是一个漂亮的结论,它确实激起了物理学家部分领域的兴趣,其结果非常简洁。这个相对简单的哈密尔顿算子的基态可以通过简单的组合方法来理解。受到这项工作的启发,我们最近在这个模型上引入了一个更加复杂的新变体,其实际上是“纠缠”的线性放缩。其可行性的原因在于,如果看看基态波函数,便很容易理解“纠缠”如何建立。这一点给了我们想法,如何串起更多‘纠缠’。”

    但是,来自牛津大学的JohnCardy认为MIT研究者的哈密尔顿算子并没那么简单。当我们有了物理上合理的哈密尔顿算子时,我们可以把它们写在表达式中,但是,想彻底解释这些元素的组合时,仍需要我们去探索。这其实就是科学发展的方式——你先找到一个样例,然后你可以找到其背后更多理论。

    编辑:谢伟伦
    参考:http://news.mit.edu/2016/simple-quantum-computers-1118