創新量子晶片為未來超級電腦鋪路

作者 : University of Copenhagen

丹麥哥本哈根大學的研究人員發現可在同一量子晶片上同時操作多個自旋量子位元(Qbit)的方法,成功克服了邁向未來超級電腦道路上的重大障礙...

丹麥哥本哈根大學(University of Copenhagen;UCPH)的量子物理學家日前發表在量子技術領域的一項最新成就。由於可在同一個量子晶片上同時操作多個自旋量子位元(Qbit),研究人員們成功克服了邁向未來超級電腦道路上的一項重大障礙。

The research team

研究團隊:Federico Fedele、Anasua Chatterjee 和 Ferdinand Kuemmeth

在全球開發大型功能性量子電腦的馬拉松競賽中,主要的工程挑戰之一在於同時控制多個基本記憶體元件——量子位元。這是因為控制一個量子位元通常會受到同時施加到另一個量子位元的控制脈衝之負面影響。如今,哥本哈根大學尼爾斯·波耳研究所(Niels Bohr Institute)的量子物理學家——博士後研究生Federico Fedele、助理教授Anasua Chatterjee以及助理教授Ferdinand Kuemmeth組成的研究團隊,成功地克服了這一障礙。

全球量子位元研究以各種技術為基礎。雖然Google和 IBM 在基於超導體技術的量子處理器方面取得了很大進展,但UCPH研究團隊正押注於半導體量子位元——稱為自旋量子位元。

「廣義而言,這主要由被困在半導體奈米結構(稱為量子點)中的電子自旋組成,因此可以控制各個​​自旋狀態並相互糾纏,」Federico Fedele 解釋。

自旋量子位元的優點是可以長時間保持其量子態。這可能使其得以執行比其他平台類型更快、更完美的運算。而且,比起其他量子位元方法,它們非常小,以至於可以將更多的自旋量子位元擠進晶片中。量子位元越多,電腦的處理能力就越大。UCPH團隊透過在單個晶片上以2×2陣列製造和操作4個量子位元,從而擴展了現有技術。

電路才是王道!

迄今為止,量子技術一直聚焦於生產更好的量子位元。現在即將可以使其相互交流了,Anasua Chatterjee 解釋:「我們開發出非常好的量子位元,其中最重要之處在於將其連接到可以操作多個量子位元的電路中,同時也足夠複雜而能糾正量子計算錯誤。到目前為止,自旋量子位元的研究已經達到電路中可包含2×2或3×3量子位元陣列的程度了。問題是其量子位元一次只處理一個。」

這項研究的量子電路由半導體物質砷化鎵製成,其大小相當於細菌的尺寸,這使一切變得不同:「該晶片的全新亮點在於能夠同時操作和測量所有量子位元。這在以前從未使用自旋量子位元證明過——也並未採用多個其他類型的量子位元證明過。」這項研究成果最近發表在《物理評論 X 量子》(Physical Review X Quantum)雜誌上。

量子位元的大小比較

Size comparison of qubits

圖中顯示自旋量子位元和超導量子位元之間的大小差異。

能夠同時操作和測量對於執行量子運算至關重要。事實上,如果你必須在計算結束時測量量子位元——也就是說,停止系統以獲得結果——脆弱的量子態就會崩潰。因此,因此,測量同步至關重要,以便所有量子位元的量子態同時關閉。如果一個一個地測量量子位元,最輕微的環境雜訊就可能改變系統中的量子資訊。

新電路的實現是半導體量子電腦漫長道路上的一個里程碑。「為了獲得更強大的量子處理器,我們不僅要增加量子位元的數量,還要增加同時操作的數量,」負責這項研究的 Kuemmeth 教授說。

這項研究的主要挑戰之一是晶片的48個控制電極需要手動調諧,並且在環境漂移的情況下保持連續調諧,這對人類來說是一項繁瑣的任務。這就是為什麼研究團隊現正研究如何使用最佳化演算法和機器學習來自動調整。

為了製造更大的量子位元陣列,研究人員已經開始與工業合作夥伴聯手製造下一代量子晶片了。整體而言,電腦科學、微電子工程和量子物理學的協同努力可能會將自旋量子位元帶到下一個里程碑。

本文原刊登於EDN China網站,夏菲編譯

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