谷歌新型量子控制技术:向实用量子计算再进一步

如果你正在开发一台计算能力远远超越目前传统技术的量子计算机,那么你在做一项非常艰苦的工作。就是这么个情况:深入研究与全新复杂系统和尖端技术的基础工作相关的新问题和新情况。

这就是加州大学圣塔芭芭拉分校和谷歌联合的量子计算研究团队 Martinis Group 的科学家在探索令人兴奋的、但也有些违反直觉的量子计算世界时的生活。在他们发表于 Nature Physics 的一篇论文中,他们和位于新奥尔良的杜兰大学的同事展示了一个完整的相对简单的量子处理平台,这个平台可以同时控制 3 个超导量子比特(superconducting qubit)。

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「我们在探索我们能力的极限,」这篇论文的主要作者 Pedram Roushan 说。他解释说,对构建单个量子处理器,目前已经有相当多的研究,但是这个项目特别之处是把这些量子处理器集中在一个基本构建块(building block)中,这个基本构建块可以被完全控制并可能扩展到功能性量子计算机中。

然而,在一台完全实用的量子计算机——兼具广泛、快速和同时计算的潜力——可以被制造出来之前,会出现各种以及有时是不可预测的和自发的情况,研究人员为了追求更精确的控制和设计更复杂的系统,这些情况必须被研究理解。

「你在处理粒子——在这里是量子比特——它们会发生相互作用,而且它们也会与外部场(external fields)互相作用,」Roushan 说,「这些都需要非常复杂的物理知识。」

为了解决这个特殊的多体问题(many-body problem),他解释说,他们的完全可控的量子处理系统必须从单个量子比特建立,以便让研究人员更好地了解可能发生的状态、行为和相互作用。

通过设计用于操纵其系统中光子自旋的脉冲序列,研究人员创建了一个人造磁场(artificial magnetic field),来影响由 3 个量子比特构成的闭环,使光子不仅能够与其它光子,而且能够与人造磁场间有强烈的相互作用。这是不小的进步。

「天然的,大多数能够比较精准控制的系统是光子系统,」合作者 Charles Neill 说。与电子不同,无电荷的光子通常不会彼此相互作用,也不会与外部磁场相互作用,他解释说。「在这篇论文中,我们展示了我们可以让光子之间有非常强烈的相互作用,并且也与磁场有非常强烈的相互作用——为了对光子进行有趣的物理操作,这两种作用是必需的。」Neill 说。

该合成凝聚态系统(synthetic condensed-matter system)的另一个优点是能够将其激发到其最低能量状态——称为基态——以探测其性质。

但是控制越多,退相干(decoherence)的可能也越大。随着研究人员努力提高量子比特的可编程性以及对量子比特的干预和读取能力,他们的系统越开放就越可能导致错误和信息丢失。

「我们对量子系统的控制越多,那我们能够运行的复杂算法也越多,」合作者 Anthony Megrant 说。「然而,每当我们添加一条控制线(control line),我们也同时引入了一个新的退相干来源。」在单个量子比特的水平上,我们可以容忍微小的误差,研究人员解释说,但是,一旦量子比特的数量增加,即使只增加相对很小的数量,误差也可能呈指数性增长。

「针对这些问题有一些校正方法,这些校正本质上是量子力学,它们会影响我们得到的精度水平,」Neill 说。

为了在提高其控制水平的同时降低可能的错误,团队必须考虑该装置的电路结构和其中使用的材料。与传统的单层平面布局(single-level,planar layout)不同,这些研究人员重新设计的电路允许控制线通过自支撑的金属「桥(bridge)」「跨越(cross over)」其它控制线。因为发现介质——控制导线之间的绝缘材料——是错误的一个主要来源。

「我们了解的所有沉积的电介质层(deposited dielectrics)都是非常容易损耗的,」Megrant 说,因此我们引入构造更精确且缺陷较少的介电衬底(substrate)以使退相干的可能性最小化。

根据研究人员的说法,在探索量子系统可能性的道路上,他们的工作正在取得一点一点坚实的进步。加上它们被精心控制的速度,这对于他们真正想实现的可以操作的量子计算机来说是至关重要的。慢的速度可以降低控制误差,但会使系统更易受到材料所施加的相干限制(coherence limits)和缺陷的影响。

快的速度可以避免材料中缺陷的影响,但也会降低操作者对系统的可控程度,他们说。

Roushan 说:「如果我们可以非常精确地控制这些系统——也许在大概 30 个量子比特的水平上——那么我们就可以进行传统计算机无法做到的计算了。」



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摘要:令人着迷的量子物质的多体相(many-body phases)来自于粒子相互作用、空间对称性和外部场的相互作用。在一个工程系统中生成这些相可以提供对它们的本质的更深刻的见解。使用超导量子比特(superconducting qubit),我们可以在实现合成磁场(synthetic magnetic field)的同时实现强粒子相互作用(strong particle interactions),这是研究量子磁性(quantum magnetism)和分数量子霍尔效应(fractional quantum Hall phenomena)的基本要素之一。该人工磁场是通过正弦调制量子比特耦合(qubit couplings)来合成的。在一个由 3 个量子比特构成了闭环中,我们观察到了光子的定向循环(directional circulation),这标志着破碎的时间反演对称性(broken time-reversal symmetry)。我们的研究证明了通过按相反方向循环的光子空位(photon vacancies,或叫做「洞(hole)」)可以创造强烈的相互作用。这些关键元素的组合可以得到手性基态流(chiral ground-state currents)。这篇论文介绍了一种用于设计强相互作用光子的量子相的实验性平台。

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