量子计算新突破:英国科学家提出大大简化囚禁离子的新技术

前言:苏塞克斯大学的物理学家日前向外界公布一项颇具开创性的技术,称这一新技术可以大大简化大尺度囚禁离子量子计算机的构建,这使我们离量子计算机的真正问世又更近了一步

目前量子计算机还处于「概念」阶段,但来自世界各地的大量计算机科学研究人员,正在这个已投入亿万资金的研究课题上如火如荼地展开研究,并且相信在近 50 年超级强大的量子计算机将会被研发出来。

在量子计算机系统的构建上,大部分用来创建量子门所利用的「原料」主要有以下几种:囚禁的离子和原子;光粒子;作为量子位元的超导电路(IBM 所使用的技术)。

利用囚禁的离子的方法来构建的量子计算机,目前主要通过激光光束来创建量子门。

这种方法在创建小型的量子计算机(只有几个量子位)上是可行的。然而要构建真正意义上的量子计算机,仅仅只有几个量子位(quantum bits)是远远不够的。因为量子位太少,无法实现大规模的计算,这也意味着用这种方法你需要一个拥有数亿激光束的系统来构建量子门,并且激光束的排布需要控制在 5 微米误差之内。

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通过囚禁离子(trapped-ion)构建的量子计算机将会拥有一组量子位的 X 结(X-junctions),这些量子位是通过对量子芯片表面上各自独立的离子的捕获而产生的(灰色区域)。这些彼此独立的量子位可以通过操控电压来获得,就像通过调频来收听不同的频道那样简单。试想以下情形:在 V1 电压下,没有任何量子位的操作(蓝色区域);V2 电压下,产生了一个量子位(绿色区域);V3 电压下,产生两个「纠缠」态的量子位(红色区域)。以此类推,一个任意大的量子计算机都可以完全通过如此简单的工程方法来实现。(图片来源于苏塞克斯大学。)

以上的方法在实际中非常难以实现,这也是为什么至今也没有真正意义上的量子计算机出现。苏塞克斯大学的研究人员所提出的方法,解决了通过囚禁的离子这种方法来构建超级计算机所遇到的瓶颈。通过微芯片上电压的改变来创造量子门来代替之前的激光光束,这个方法操作起来极为简便。

「我们的方法将构建量子计算机的难度降到与经典计算机构建同等难度。经典计算机的构造中含有很多晶体管,这些晶体管的作用是通过电压来执行经典的逻辑门,」苏塞克斯大学的离子量子技术研究组的量子技术研究教授 Winfried Hensinger 在 IBTimes UK 的采访中说到。

「我们运用微波辐射技术,也就是将整个量子计算机包围在微波之中,然后我们设置将要处理区域的局部磁场梯度变化,在这之后就可以运用电压的改变来产生量子门,通过对离子位置的改变来控制离子和整个微波场的相互作用。」这项研究已经在 Physical Review Letters 上发表,论文标题「Trapped-Ion Quantum Logic with Global Radiation Fields」。

一个创建量子门的简易方法

要创建一个量子门,两个量子位的量子纠缠是必备条件。其中两个粒子可以保持相同状态,即使两个粒子在空间距离上相距很远,其中一个粒子的状态改变也会同步到另一个粒子。

如果你想构建一个量子门,那么你将需要囚禁的离子之间能够「共鸣」。但如果你仅仅需要一个单独的量子位,那么你会需要改变离子位置的选择,这样它就不会和全局微波场交互,这个过程在目前技术下是完全可以实现的。

苏塞克斯大学是 Networked Quantum Information Technologies (NQIT) 的核心成员之一,该机构的研究资金来源于英国政府,也是英国政府在量子科技产业上的前沿阵地。

英国政府寄希望于英国的量子科技产业能诞生两个大型的量子计算机范本——一个是在牛津大学,另一个就是在苏塞克斯大学。

目前为止,超导量子位和囚禁离子型量子计算机的研究已取得了一定的进展,目前科学家已经实现大约 10 个量子位。

相比之下,目前苏塞克斯大学的研究员在他们实验室中所构建的量子计算机仅 2 量子位,但是他们 下一代的量子计算机将会有 10 量子位,而且预计在三到四年之内研发完成。

「大型量子计算机的构建难度已大为降低。有史以来第一次,你可以仅使用电压来控制囚禁离子量子位以打造量子计算机,」Hensinger 说到,并且他个人认为囚禁离子型的量子计算研究将比超导量子研究的进展更快。

「这项研究将会彻底改观当前囚禁离子型量子计算机的构造过程,就像是从功能型手机到智能手机的转变。最明显的优势是这个技术可以产生数以万计的量子位,而且完全是当前技术可实现的。」

入门量子计算物理理论
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