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量子比特是量子计算的核心,同时也是它最大的弱点

来源: 黄文心 作者:--
2023-01-20 08:35:00

  量子态非常微妙,很容易被破坏。但完美的解决方案可能在于不完美的晶体

  

  量子计算革命即将到来,大量的传感器、通信系统和功能强大的计算机都非常接近实现。

  量子计算机的功能原型,如谷歌的Sycamore机器,已经在全球范围内运行。这些技术的核心是“量子比特”或“量子比特”,这是量子计算的基本单位,类似于比特是传统计算的基础单位。

  现在,能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员开发了一种新方法,可以创建称为颜色中心的微小发光点;它们通过采用已知材料并使其扭曲而出现在晶体内的缺陷中。反过来,这些可控的颜色中心可以用作生成量子比特的新方法。

  但最大的问题是:如果量子计算机已经存在并使用量子比特,为什么我们需要一种新的方法来制造这些量子比特?事实证明,为量子比特以及量子计算机提供动力的现象也是这种新兴技术的最大弱点。

  量子比特如何利用量子世界

  量子计算机增加的计算能力在于,量子比特使用量子世界中令人震惊的、通常是彻头彻尾的令人不安的现象来运作。

  例如,虽然比特可以取两个值——0 或 1,基本上是“开”或“关”——但叠加的量子现象,其中系统的多个状态重叠,允许量子比特同时取多个矛盾的值。

  因此,单个量子比特可能处于“开”和“关”状态,只是“开”状态,或者只是“关”状态;随着量子比特被集体收集以创建量子网络,这些可能的状态会增加。这意味着大量的量子比特可以存在于大量的状态中。

  

  来自德国莱布尼茨计算中心量子计算机的低温恒温器,2022 年 7 月 14 日。量子计算机不会以比特的形式存储信息,比特只能假设两种可能的状态,一种或零。相反,量子计算机的量子比特可以同时是两者,即 1 和 0。

  纠缠是另一种主要的量子现象,使量子比特能够在量子计算机中相互传递信息。这是粒子可以以无法独立描述的方式链接的想法。通过执行测量来改变一个粒子会立即改变它的纠缠伙伴,无论两个粒子相距多远,即使它们位于宇宙的两端。这让阿尔伯特·爱因斯坦非常困扰,以至于他将纠缠描述为“远距离的幽灵行动”。

  这些量子元素的应用意味着,虽然向传统计算机添加比特可以线性扩展其计算能力,但向量子计算机添加量子比特会呈指数级扩展。从数学上讲,这意味着如果量子计算机有n个量子比特,这些量子比特可以以2的叠加态存在。

  量子比特的纠缠和以叠加态存储信息,使量子计算机比经典计算机更强大,并导致系统可以以指数级的速度解决问题。但是,有一个问题。一个大的。像纠缠和叠加这样的量子态非常微妙,很容易被破坏。这是量子计算机可靠性的一个重大挫折。

  噪音问题

  在实验室中,量子系统中的纠缠态和叠加态在测量时被破坏。问题是这种“测量”只是干涉的一种形式,干涉可能来自量子系统周围的许多来源。

  叠加态的坍缩或纠缠的丧失也可能是由与粒子、磁场或温度波动这样简单的事情的相互作用引起的。

  这意味着量子计算机必须在极好的控制条件下运行,例如非常极低的温度,以保护它们免受任何环境“噪音”的影响。即便如此,这些状态的脆弱性意味着量子计算机还不能准确地产生大型计算链。

  这就是为什么像伯克利实验室这样的团队正在研究创建量子比特的新方法,希望他们能够开发出一种更好地防止“噪音”的系统。

  量子比特的丰富多彩的转折

  

Shaul Aloni,Cong Su,Alex Zettl和Steven Louie合成了一种由六方氮化硼扭曲层制成的装置

  伯克利实验室参与量子比特新工作的研究员Cong Su告诉Popular Mechanics:量子比特可以通过许多不同的方式实现,一种方法是利用半导体中的色心,这基本上是来自缺陷的发射。

  在伯克利实验室分子铸造厂的科学家Shaul Aloni的带领下,该团队使用固态“扭曲”晶体层状材料来产生这些颜色中心。他们的工作于去年夏天发表在《自然材料》杂志上。

  Su解释道:他们在实验中使用了六方氮化硼,它具有由硼和氮原子组成的蜂窝晶格。这种结构与石墨烯非常相似,因此六方氮化硼也称为白色石墨烯“在这种材料中,他们使用来自缺陷的辐射 - 这些缺陷要么是内在嵌入的,要么是由六方氮化硼内部的粒子轰击故意产生的 - 来创建颜色中心。

  因为它们是晶体材料(如金刚石)中的微观缺陷,当用激光或电子束等替代能源撞击时会发出特定颜色的光,因此颜色传感器可以与控制光的设备相结合,以连接量子处理器中的组件。

  六方氮化硼的颜色中心实际上比钻石的颜色中心更亮,但在这项研究之前,科学家们一直在努力使用这种材料 - 油漆中的常见添加剂 - 因为很难在确定的位置产生缺陷。

  传统上,颜色中心是使用离子注入创建的。然而,由于缺乏空间控制,这会在随机位置创建颜色中心,研究人员正试图使用六方氮化硼和电子束的界面来限制这些颜色中心的位置。

  这项研究的另一个障碍是,到目前为止,研究人员缺乏一种可靠的方法来切换这种合成材料中的颜色中心。该团队通过像三明治一样堆叠和旋转六角氮化硼层来解决这些问题,面包的顶层相对于底部旋转。这具有激活和增强颜色中心的紫外线(UV)发射的效果。

  研究人员非常惊讶地看到,简单的层扭曲可以将色中心的亮度提高近两个数量级。

  该团队希望这项研究是迈向颜色中心设备的第一步,工程师可以使用这种设备来构建量子系统,或者可以适应在现有量子系统中使用。然而,在此之前还需要做更多的工作,提高颜色中心的保真度,以减少量子计算过程中的错误。

  制造基于颜色中心系统的量子设备仍然需要付出很多努力,例如,需要波导将不同的量子比特连接在一起,使它们相互纠缠和通信。

  研究人员希望发现并有意创建更多具有更好特性的颜色中心,也希望找到其他方法来控制它们。

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