革命性的新量子比特平台可能改变量子计算的发展轨迹

2022年05月10日 20:15 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

你用来查看这篇文章的数字设备无疑使用了比特,它可以是0或1作为其基本信息单位。然而,世界各地的科学家正在竞相开发一种基于使用量子比特,或称量子比特的新型计算机,它可以同时为0和1,有朝一日可以解决超越任何经典超级计算机的复杂问题。

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由美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的科学家领导的一个研究小组与FAMU-FSU工程学院机械工程副教授郭伟密切合作,宣布创建了一个新的量子比特平台,该平台显示出被开发成未来量子计算机的巨大前景。他们的工作发表在《自然》杂志上。

"量子计算机可能是一个革命性的工具,用于执行经典计算机几乎不可能完成的计算,但要使其成为现实仍有工作要做,"论文共同作者郭说。"通过这项研究,我们认为我们有了一个突破,在制造有助于实现这项技术潜力的量子比特方面有了很大的进展。"

该团队通过在非常低的温度下将氖气冷冻成固体,将灯泡中的电子喷射到固体上,并在那里捕获一个电子,从而创造了它的量子位。

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FAMU-FSU工程学院的机械工程副教授Wei Guo 资料来源:佛罗里达州立大学

虽然有许多关于量子比特类型的选择,但该团队选择了最简单的一种--单一电子。加热一个简单的灯丝,如你在儿童玩具中发现的灯丝,可以很容易地射出无限的电子。

对于量子比特来说,一个重要的品质是它们能够在很长一段时间内同时保持0或1的状态,即所谓的"相干时间"。这个时间是有限的,而这个限制是由量子位与其环境的互动方式决定的。量子比特系统中的缺陷会大大减少相干时间。

出于这个原因,研究小组选择在真空中的超纯固体氖气表面上捕获一个电子。氖是仅有的六种惰性元素之一,意味着它不会与其他元素发生反应。

阿贡科学家和该项目的主要研究人员Jin Dafei说:"由于这种惰性,固体霓虹可以作为真空中最干净的固体来承载和保护任何量子比特不被破坏。"

通过使用一个芯片级的超导谐振器--就像一个微型微波炉--该团队能够操纵被困的电子,使其能够读取和存储量子比特的信息,从而使其在未来的量子计算机中得到应用。

以前的研究使用液态氦作为容纳电子的媒介。这种材料很容易做到没有缺陷,但是无液体表面的振动很容易干扰电子状态,从而影响到量子比特的性能。

固体霓虹提供了一种缺陷很少的材料,不会像液态氦那样振动。在建立了他们的平台之后,该团队利用微波光子对被困住的电子进行了实时的量子比特操作,并对其量子特性进行了描述。这些测试表明,固体霓虹为电子提供了一个强大的环境,干扰它的电噪声非常低。最重要的是,该量子比特在量子状态下达到了与其他最先进的量子比特竞争的相干时间。该量子比特平台的简单性也应该有助于带来简单、低成本的制造过程。

量子计算的前景在于这种下一代技术计算某些问题的能力比经典计算机快得多。研究人员的目标是将长相干时间与多个量子比特联系在一起的能力结合起来--即所谓的纠缠。因此,量子计算机可以找到经典计算机需要很多年才能解决的问题的答案。

考虑一个问题,研究人员希望找到由许多氨基酸组成的蛋白质的最低能量配置。这些氨基酸可以以数万亿种方式折叠,经典计算机没有足够的内存来处理。通过量子计算,人们可以使用纠缠的量子比特来创建所有折叠配置的叠加--提供同时检查所有可能答案的能力,更有效地解决问题。

"研究人员只需要做一次计算,而不是尝试数万亿的可能配置,"Guo说。

关于这项研究的更多信息,请参看:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04539-x

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