超越Qubits:基于Qutrit的量子计算机的关键部件被展示出来

2021年05月03日 20:27 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

由伯克利实验室、加州大学伯克利分校科学家领导的团队建立了一种新型的量子处理器,能够像理论上的黑洞那样进行信息扰乱。由劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的物理学家领导的团队已经成功地观察到了量子信息的扰动,这被认为是黑洞行为的基础,

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使用qutrits信息存储量子单元可以同时代表三个独立的状态。他们的努力也为建立一个基于qutrits的量子信息处理器铺平了道路。

最近发表在《物理评论》(Physical Review X)杂志上的这项新研究利用了一个量子电路,其灵感来自长期存在的物理学问题。当信息进入黑洞时会发生什么?

除了与宇宙学和基础物理学的联系之外,该团队的技术里程碑使该实验成为可能,这代表了在使用更复杂的量子处理器进行量子计算、密码学和误差检测等应用方面的重要进展。

虽然黑洞被认为是宇宙中最具破坏性的力量之一--物质和光无法逃脱其牵引,一旦进入就会被迅速彻底扰乱--但关于信息在进入黑洞后是否会丢失以及如何丢失,一直存在着相当大的争议。已故物理学家斯蒂芬-霍金(Stephen Hawking)表明,黑洞随着时间的推移慢慢蒸发,会发出辐射--现在被称为霍金辐射。原则上,这种辐射可以携带关于黑洞内部的信息--甚至允许重建进入黑洞的信息。

而通过使用一种被称为纠缠的量子特性,有可能大大加快这种重建的速度,正如早期工作中所显示的那样。

量子纠缠违背了经典物理学的规则,允许粒子即使相隔很远也能保持相关,因此一个粒子的状态会告知你其纠缠伙伴的状态。例如,如果你有两枚纠缠在一起的硬币,当你看到其中一枚硬币时,知道它是正面的会自动告诉你另一枚纠缠的硬币是反面的。

量子计算的大多数努力都是通过将信息编码为纠缠的量子比特,即所谓的量子比特(发音为CUE-bits)来挖掘这种现象。像传统的计算机比特一样,它可以保持零或一的值,量子比特也可以是零或一。但除此之外,一个量子比特可以以叠加的方式存在,即同时为一和零。就硬币而言,它就像一个翻转的硬币,可以代表正面或反面,也可以同时代表正面和反面的叠加。

向量子计算机添加的每一个量子比特都会使其计算能力翻倍,而当使用能够存储更多数值的量子比特,如qutrits(发音为CUE-trits)时,这种指数级的增长会激增。正因为如此,需要更少的量子比特,甚至更少的qutrits或qudits--它描述了具有三个或更多状态的量子单元来执行复杂的算法,能够显示出解决使用传统计算机无法解决的问题的能力。也就是说,要建造具有大量量子比特的量子计算机,在以真正的量子方式解决问题时能够可靠有效地运行,还存在着一些技术障碍。

在这项最新的研究中,研究人员详细介绍了他们是如何开发出一个能够使用一系列五个量子比特进行编码和传输信息的量子处理器的,每个量子比特可以同时代表三种状态。尽管量子电路的环境通常是嘈杂的、不完善的和容易出错的,但他们发现他们的平台被证明具有令人惊讶的弹性和稳健性。

Qutrits的值可以是0、1或2,在叠加中保持所有这些状态。在硬币的比喻中,它就像一枚硬币,有可能出现头,有可能出现尾,也有可能落在它的薄边上。

"伯克利实验室材料科学部的科学家、加州大学伯克利分校物理学助理教授Norman Yao说:"黑洞是一个非常好的信息编码器,他帮助领导了该实验的规划和设计。"它很快就把它抹掉了,所以任何局部噪音都很难破坏这些信息。"

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一个思想实验的插图,其中爱丽丝掉进黑洞的信息被外部观察者鲍勃恢复

该团队着手在一个实验中复制这种快速的量子信息涂抹,或者说是扰乱,该实验使用被称为非线性谐波振荡器的微小设备作为qutrits。这些非线性谐波振荡器本质上是亚微米大小的弹簧砝码,当受到微波脉冲的影响时,可以被驱动到几个不同的频率。

该研究的主要作者Irfan Siddiqi指出,使这些振荡器作为qutrits工作的一个共同问题是,它们的量子性质往往会通过一种叫做退相干的机制迅速分解,因此很难区分信息扰乱是真正的量子化还是由于这种退相干或其他干扰。

Siddiqi是伯克利实验室高级量子测试平台的主任,也是实验室计算研究和材料科学部门的科学家,同时还是加州大学伯克利分校的物理学教授。

该测试平台于2020年开始接受来自量子科学界的提案,是一个合作研究实验室,为那些想要探索如何利用超导量子处理器来推动科学研究的用户提供开放、免费的访问。扰乱的演示是该试验台用户计划的首批成果之一。

这项研究的一个关键是保持振荡器携带的信号的相干性,或有序的图案加上足够长的时间,以确认量子扰动是通过qutrit的远程传输发生的。虽然远距传输可能会让人联想到科幻小说中的人或物从星球表面 "传送"到宇宙飞船上,但在这种情况下,只是通过量子纠缠将信息,而不是物质,从一个地方传输到另一个地方。

另一个重要部分是科学家们创造了定制的逻辑门,使 "通用量子电路"得以实现,可用于运行任意的算法。这些逻辑门允许成对的qutrits相互作用,并被设计用来处理由微波脉冲产生的三种不同级别的信号。

实验中五个qutrits中的一个作为输入,其他四个qutrits是纠缠在一起的一对。由于qutrits纠缠的性质,在扰乱电路后,对其中一对qutrits的联合测量确保了输入qutrit的状态被传送到另一个qutrit。

研究人员使用一种被称为量子过程断层扫描的技术来验证逻辑门是否工作,以及信息是否被适当地扰乱,以便它同样可能出现在量子电路的任何特定部分。思考纠缠的量子如何传输信息的一种方式是把它比作一个黑洞。就好像有一个黑洞和该黑洞的镜像版本,因此,在镜像黑洞的一侧传递的信息通过纠缠传输到另一侧。

展望未来,研究人员对利用qutrits的力量进行与可穿越的虫洞有关的研究特别感兴趣,虫洞是连接宇宙中不同位置的理论通道。

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