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科学家距离功能齐全的量子计算机更近了一步

2019-10-02 09:12

 

  量子计算通过提供更快,更高效的处理器,传感器和通信设备,具有革新技术,医学和科学的潜力。

  在《自然》杂志上的一篇论文中,普渡大学和罗切斯特大学的研究人员,包括物理学助理教授约翰尼科尔,罗切斯特博士的学生Yadav P. Kandel和乔海峰,通过转移状态来展示他们传递信息的方法。电子。这项研究使科学家们朝着创建功能齐全的量子计算机迈出了一步,这是罗切斯特为更好地理解量子行为和开发新型量子系统而采取的行动的最新例证。大学最近从能源部获得了400万美元的赠款,用于研究量子材料。

  量子计算机根据量子力学的原理进行操作,量子力学是一套独特的规则,适用于极小的原子和亚原子粒子。当以这些尺度处理粒子时,许多控制经典物理学的规则不再适用,并且量子效应出现了。量子计算机能够执行复杂的计算,分解非常大的数字,并以传统计算机无法达到的水平模拟原子和粒子的行为。

  量子计算机有潜力通过在分子水平上模拟物质在异常条件下的行为来提供对物理和化学原理的更多了解。这些模拟对于开发新能源,研究行星和星系的状况或比较可能导致新药疗法的化合物可能有用。

  Nichol说:“您和我是量子系统。我们体内的粒子服从量子物理学。但是,如果您尝试计算体内所有原子发生的事情,您将无法在常规计算机上做到这一点。”“量子计算机可以轻松地做到这一点。”

  Nichol说:“事实证明,几乎所有现代加密技术都是基于常规计算机分解大量数据的极端困难。”“量子计算机可以轻松分解大量数据并破坏加密方案,因此您可以想象为什么许多政府对此感兴趣。”

  普通计算机由数十亿个称为位的晶体管组成。另一方面,量子计算机基于量子位,也称为量子位,可以由单个电子制成。与可以为“ 0”或“ 1”的普通晶体管不同,量子位可以同时为“ 0”和“ 1”。单个量子位占据这些“叠加状态”(同时处于多个状态)的能力是量子计算机巨大潜力的基础。但是,就像普通计算机一样,量子计算机需要一种在量子位之间传输信息的方法,这带来了重大的实验挑战。

  尼科尔说:“量子计算机需要具有许多量子比特,而且它们的制造和操作确实非常困难。”“目前最先进的技术仅用几个量子位就可以完成某件事,因此距离实现量子计算机的全部潜力还有很长的路要走。”

  所有计算机,包括常规计算机和量子计算机以及智能手机等设备,都必须执行错误校正。普通计算机包含位的副本,因此,如果位之一变质,则“其余位将获得多数表决”并修复错误。但是,量子位不能被复制,尼科尔说:“所以你必须非常聪明地纠正错误。我们在这里所做的是朝这个方向迈出的一步。”

  量子纠错要求各个量子位与许多其他量子位相互作用。这可能很困难,因为单个电子就像条形磁铁一样,其北极和南极可以指向上方或下方。极的方向(例如,北极是向上还是向下)被称为电子的磁矩或量子态。

  如果某些种类的粒子具有相同的磁矩,则它们不能同时在同一位置。即,处于相同量子态的两个电子不能彼此重叠。

  尼科尔说:“这是由金属制成的便士之类的东西不会自行崩塌的主要原因之一。”“电子之所以将自身推开,是因为它们不能同时处于同一位置。”

  如果两个电子处于相反的状态,则它们可以彼此重叠。令人惊讶的结果是,如果电子足够接近,它们的状态将及时来回交换。

  尼科尔说:“如果一个电子上升,另一个电子下降,然后在适当的时间内将它们推在一起,它们就会交换。”“他们没有切换位置,但是他们的状态切换了。”

  为了消除这种现象,Nichol和他的同事将半导体芯片冷却到极低的温度。他们使用量子点-纳米级半导体-连续捕获四个电子,然后移动电子,使它们接触并切换状态。

  Nichol说:“有一种简单的方法可以在两个相邻电子之间切换状态,但是要在很长的距离上进行转换(在我们的例子中是四个电子),需要大量的控制和技术技能。”“我们的研究表明这是目前长距离发送信息的可行的方法。”

  在不移动电子位置的情况下,在一个量子位阵列之间来回传输电子状态,提供了一个惊人的例子,说明了量子物理学为信息科学所提供的可能性。

  普渡大学物理与天文学教授迈克尔曼夫拉(Michael Manfra)表示:“该实验表明,可以在不实际传输单个电子自旋的情况下传输量子态信息。”“这是显示信息如何以量子力学方式传输的重要一步,其方式与我们的经典直觉使我们相信的方式完全不同。”

  Nichol将此比喻为从第一批计算设备到当今计算机的步骤。也就是说,我们总有一天会用量子计算机代替台式计算机吗?Nichol说:“如果您在1960年代问IBM问题,他们可能会说不,这是不可能的。”“那是我现在的反应。但是,谁知道呢?”

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