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科學家發現量子計算機“拼圖缺失部分”,有望加速商用量子計算機誕生

來源:     作者:32所站點管理員     發布時間:2021年09月08日     瀏覽次數:         

  近日,新南威爾士大學的研究團隊解決了一個困擾學術界數十年的問題:即如何在不占用寶貴空間的情況下控制數百萬個量子比特。該團隊提出了一種能同時控制數百萬個自旋量子比特的新技術,或將加速商用量子計算機的到來。

  這意味著開發全尺寸量子計算機的重大障礙得以破除,研究團隊表示借助該成果他們找到了“量子計算機架構中‘缺失的拼圖’”。

  當地時間 8 月 13 日,相關論文以《使用全局場的納米電子器件中的單電子自旋共振》(Single-electronspin resonance in a nanoelectronic device using a global field)為題,發表在 Science Advances 上。另據悉,此次研究由該校電氣工程與電信學院高級研究員賈里德?普拉(Jarryd Pla)負責。

  上海交大量子信息專業博士喬璐楓告訴 DeepTech:“大規模量子比特的控制能力對于實現量子計算機至關重要。量子計算機在許多重要問題上,如量子模擬(幫助材料和藥物開發)和優化,都顯著優于經典的同類計算機。然而對于一個用于解決實際問題的大規模和完全容錯的量子計算機,可能需要超過 100 萬量子比特。這項工作將之前的幾個量子比特設備發展到具有超過一百萬個量子比特的硅量子處理器,可以說是一種飛躍性的進展。

  尋找量子計算架構中“缺失的拼圖”

  如果你看過量子計算機的圖片,就會發現它們往往是像冰箱一樣大小的迷宮式機器,里面還帶有大量復雜的控制系統和冷卻系統。

  當前,大多數量子計算機都要給處理器上的所有量子比特都設置一條控制線,以便通過高頻振蕩信號、來改變量子比特的自旋狀態或數據狀態。

  其中,實現自旋量子比特全局控制的一種方法是,將芯片放置在傳統的三維微波腔內,并且每根控制線都必須伸入到計算機的過冷內部。而這些控制線會產生額外熱量,這位導致量子比特的物理尺寸變大,同時也會導致量子計算機的能力受限。

  研究人員評價稱:“微波腔不太喜歡電路的存在,電路也不喜歡微波腔的存在。”理論上,一個破壞性較小的微波源,能控制整個處理器中的所有量子比特,該團隊也在實踐中證明了這一點,即并非直接向每個量子比特發送信號,而是讓量子比特與單一信號發生共振或脫離共振。

  值得注意的是,改變共振所需的設備已存在于量子比特的邏輯組件中,因此該方法會讓處理器變得更復雜。該團隊表示,當前的量子計算機往往是“完全混亂的布線和各種控制系統”,但此次新技術能大大簡化它們。

  目前,像谷歌“懸鈴木”(Sycamore )這樣的尖端量子計算機只有幾十個量子位,但真正可投入應用的量子計算機,可能需要數千或數百萬個量子比特。

  將原型諧振器技術集成在量子比特芯片上

  在此之前,科學家們僅通過對少數量子比特的控制,來研究量子處理器的概念驗證模型。而控制電子自旋量子比特,也主要依賴于將電流通過量子比特旁邊的電線來傳遞微波磁場。

  如果讓量子計算機強大到能解決全球重大問題,比如新疫苗的設計,那么就需要數百萬個量子比特。

  這里面的挑戰非常大:首先,磁場隨著距離的下降非常快,所以只能控制最靠近導線的量子比特。因此,當引入越來越多的量子比特,就需要添加越來越多的電線,而這將占用芯片上的大量空間。

  此外,傳統計算機將信息存儲為 0 或 1。但在量子計算機中,量子比特同時是兩個數字的疊加狀態,這種疊加能力意味著量子計算機具有同時執行多項計算的能力。為了保持它們的量子能力,量子比特可能需要在極低溫環境中運行。

  因此相關芯片必須在低于 -270°C 的極冷溫度下運行,而引入更多導線會在芯片中產生過多熱量,這會讓量子比特的可靠性受到損失。那么,這時就只能回到使用線技術來控制量子比特的方法。

  而該團隊此次提出的解決方案,是對硅芯片結構的重新構想。他們并沒有在包含數百萬量子比特的硅芯片上去設置數千條控制線,而是研究了從芯片上方產生磁場的可行性,并發現該磁場可同時操縱所有量子比特。

  這種同時控制所有量子比特的想法,最早于 20 世紀 90 年代提出,但直到本次論文發表,此前也沒有誕生出可行性方法。

  而在該研究中,研究人員先是移除了量子比特旁邊的電線,然后設計一種在整個系統中傳遞微波頻率磁控制場的新方法。他們發現,諧振器產生的場可控制一個能容納 400 萬個量子比特的區域。此外,產生磁場所需的能量也相對較少,這基本上意味著產生的熱量很少。

  該團隊還在硅芯片上方引入了一個新組件,組件名字叫介電諧振器的晶體棱鏡。當微波進入諧振器時,它會將微波的波長聚焦到更小的尺寸。如此,就能在所有量子比特中,把微波功率有效轉換為控制自旋的磁場。

  而介電諧振器可將波長縮小到 1 毫米以下,這時就能把微波功率轉換為控制所有量子比特自旋的磁場。

  這里有兩個關鍵創新:其一,無需給量子比特提供強大的驅動場,因此不會產生太多熱量;其二,整個芯片的磁場非常均勻,因此數百萬個量子比特都得到了相同級別的控制。

  盡管該團隊開發了原型諧振器技術,但由于沒有硅量子比特來做測試,為此他們找到該校另一支團隊——由安德魯?祖拉克(AndrewDzurak)教授帶領的量子研究團隊。

  隨后,兩支團隊開始合作研究,他們把將本次研發的原型諧振器技術集成在量子比特芯片上,并取得了成功。

  可解決實際商業問題的量子計算機,有望更早誕生

  研究人員告訴媒體:“當實驗證明成功時,我們欣喜若狂。如何控制數百萬個量子比特的問題困擾了我很長時間,因為它是構建全尺寸量子計算機的主要障礙。”

  喬璐楓告訴 DeepTech,具有百萬量子比特控制能力,就可以使用量子計算機來解決實際問題,比如新疫苗的設計,而不僅限于量子優越性的演示和證明了。另外,該技術中僅使用單個微波源,就能夠同時向數百萬個量子比特提供控制信號。

  事實上,新南威爾士大學團隊在量子研究上已積累了一定成果。2020 年 4 月,由安德魯?祖拉克(Andrew Dzurak)領導的團隊發布了一個概念驗證型量子處理器單元,它能讓量子計算機以 1.5 的速度工作,這比此前量子處理器可工作的溫度高出 15 倍,而通常量子計算機需要在比絕對零高幾分之一度下運行,因此這能讓研究人員無需再購買數百萬美元的制冷設備。

  另據悉,安德魯還是 Qucor Pty Ltd 公司的董事,該公司旨在將相關研究商業化。未來,該團隊將使用此次成果,來簡化硅量子處理器的設計。

  具體來說,通過移除片上控制線,就能給額外量子比特、以及構建量子處理器所需的其他電子設備騰出空間,也會讓生產具有數十個量子比特設備的任務變得更簡單。

  而本次成果的實現,放在 20 世紀 80 年代還只是一個夢想。同時,也意味著未來十年內,有望誕生使用數千個量子比特來解決實際商業問題的量子計算機,比如,藥物和疫苗設計、代碼解密、人工智能和氣候變化等,都有望是量子計算技術的受益領域。

  軍事科學院國防科技創新研究院研究員強曉剛告訴 DeepTech:“這項研究展示了一種面向電子自旋量子比特的新型操控方法,有望實現規模化的電子自旋量子比特操控。隨著量子比特可操控規模的增長,量子系統的計算能力也將快速增長,在量子模擬和優化等問題中,將逐漸顯現超越經典的計算能力,從而在新型材料輔助設計、藥物研發、組合優化等應用領域有望發揮重要作用。”

  發布日期:2021年8月18日

  來源:DeepTech深科技

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