科學(xué)家距離功能齊全的量子計(jì)算機(jī)更近了一步

量子計(jì)算通過提供更快，更高效的處理器，傳感器和通信設(shè)備，具有革新技術(shù)，醫(yī)學(xué)和科學(xué)的潛力。

但是在量子系統(tǒng)內(nèi)傳遞信息和糾正錯(cuò)誤仍然是制造高效量子計(jì)算機(jī)的挑戰(zhàn)。

在《自然》雜志上的一篇論文中，普渡大學(xué)和羅切斯特大學(xué)的研究人員，包括物理學(xué)助理教授約翰·尼科爾，羅切斯特博士的學(xué)生Yadav P. Kandel和喬海峰，通過轉(zhuǎn)移狀態(tài)來展示他們傳遞信息的方法。電子。這項(xiàng)研究使科學(xué)家們朝著創(chuàng)建功能齊全的量子計(jì)算機(jī)邁出了一步，這是羅切斯特為更好地理解量子行為和開發(fā)新型量子系統(tǒng)而采取的行動的最新例證。大學(xué)最近從能源部獲得了400萬美元的贈款，用于研究量子材料。

量子計(jì)算機(jī)根據(jù)量子力學(xué)的原理進(jìn)行操作，量子力學(xué)是一套獨(dú)特的規(guī)則，適用于極小的原子和亞原子粒子。當(dāng)以這些尺度處理粒子時(shí)，許多控制經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)則不再適用，并且量子效應(yīng)出現(xiàn)了。量子計(jì)算機(jī)能夠執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，分解非常大的數(shù)字，并以傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法達(dá)到的水平模擬原子和粒子的行為。

量子計(jì)算機(jī)有潛力通過在分子水平上模擬物質(zhì)在異常條件下的行為來提供對物理和化學(xué)原理的更多了解。這些模擬對于開發(fā)新能源，研究行星和星系的狀況或比較可能導(dǎo)致新藥療法的化合物可能有用。

Nichol說：“您和我是量子系統(tǒng)。我們體內(nèi)的粒子服從量子物理學(xué)。但是，如果您嘗試計(jì)算體內(nèi)所有原子發(fā)生的事情，您將無法在常規(guī)計(jì)算機(jī)上做到這一點(diǎn)。” “量子計(jì)算機(jī)可以輕松地做到這一點(diǎn)。”

量子計(jì)算機(jī)還可以為更快的數(shù)據(jù)庫搜索和加密打開大門。

Nichol說：“事實(shí)證明，幾乎所有現(xiàn)代加密技術(shù)都是基于常規(guī)計(jì)算機(jī)分解大量數(shù)據(jù)的極端困難。” “量子計(jì)算機(jī)可以輕松分解大量數(shù)據(jù)并破壞加密方案，因此您可以想象為什么許多政府對此感興趣。”

比特VS。量子比特

普通計(jì)算機(jī)由數(shù)十億個(gè)稱為位的晶體管組成。另一方面，量子計(jì)算機(jī)基于量子位，也稱為量子位，可以由單個(gè)電子制成。與可以為“ 0”或“ 1”的普通晶體管不同，量子位可以同時(shí)為“ 0”和“ 1”。單個(gè)量子位占據(jù)這些“疊加狀態(tài)”(同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài))的能力是量子計(jì)算機(jī)巨大潛力的基礎(chǔ)。但是，就像普通計(jì)算機(jī)一樣，量子計(jì)算機(jī)需要一種在量子位之間傳輸信息的方法，這帶來了重大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。

尼科爾說：“量子計(jì)算機(jī)需要具有許多量子比特，而且它們的制造和操作確實(shí)非常困難。” “目前最先進(jìn)的技術(shù)僅用幾個(gè)量子位就可以完成某件事，因此距離實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的全部潛力還有很長的路要走。”

所有計(jì)算機(jī)，包括常規(guī)計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)以及智能手機(jī)等設(shè)備，都必須執(zhí)行錯(cuò)誤校正。普通計(jì)算機(jī)包含位的副本，因此，如果位之一變質(zhì)，則“其余位將獲得多數(shù)表決”并修復(fù)錯(cuò)誤。但是，量子位不能被復(fù)制，尼科爾說：“所以你必須非常聰明地糾正錯(cuò)誤。我們在這里所做的是朝這個(gè)方向邁出的一步。”

操縱電子

量子糾錯(cuò)要求各個(gè)量子位與許多其他量子位相互作用。這可能很困難，因?yàn)閱蝹€(gè)電子就像條形磁鐵一樣，其北極和南極可以指向上方或下方。極的方向(例如，北極是向上還是向下)被稱為電子的磁矩或量子態(tài)。

如果某些種類的粒子具有相同的磁矩，則它們不能同時(shí)在同一位置。即，處于相同量子態(tài)的兩個(gè)電子不能彼此重疊。

尼科爾說：“這是由金屬制成的便士之類的東西不會自行崩塌的主要原因之一。” “電子之所以將自身推開，是因?yàn)樗鼈儾荒芡瑫r(shí)處于同一位置。”

如果兩個(gè)電子處于相反的狀態(tài)，則它們可以彼此重疊。令人驚訝的結(jié)果是，如果電子足夠接近，它們的狀態(tài)將及時(shí)來回交換。

尼科爾說：“如果一個(gè)電子上升，另一個(gè)電子下降，然后在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間內(nèi)將它們推在一起，它們就會交換。” “他們沒有切換位置，但是他們的狀態(tài)切換了。”

為了消除這種現(xiàn)象，Nichol和他的同事將半導(dǎo)體芯片冷卻到極低的溫度。他們使用量子點(diǎn)-納米級半導(dǎo)體-連續(xù)捕獲四個(gè)電子，然后移動電子，使它們接觸并切換狀態(tài)。

尼科爾說：“有一種簡單的方法可以在兩個(gè)相鄰電子之間切換狀態(tài)，但是要在很長的距離上進(jìn)行轉(zhuǎn)換(在我們的例子中是四個(gè)電子)，需要大量的控制和技術(shù)技能。” “我們的研究表明，這現(xiàn)在是一種長距離發(fā)送信息的可行方法。”

第一步

在不移動電子位置的情況下，在一個(gè)量子位陣列之間來回傳輸電子狀態(tài)，提供了一個(gè)驚人的例子，說明了量子物理學(xué)為信息科學(xué)所提供的可能性。

普渡大學(xué)物理與天文學(xué)教授邁克爾·曼夫拉(Michael Manfra)表示：“該實(shí)驗(yàn)表明，可以在不實(shí)際傳輸單個(gè)電子自旋的情況下傳輸量子態(tài)信息。” “這是顯示信息如何以量子力學(xué)方式傳輸?shù)闹匾徊?，其方式與我們的經(jīng)典直覺使我們相信的方式完全不同。”

Nichol將此比喻為從第一批計(jì)算設(shè)備到當(dāng)今計(jì)算機(jī)的步驟。也就是說，我們總有一天會用量子計(jì)算機(jī)代替臺式計(jì)算機(jī)嗎?Nichol說：“如果您在1960年代問IBM問題，他們可能會說不，這是不可能的。” “那是我現(xiàn)在的反應(yīng)。但是，誰知道呢?”