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澳科学家首创硅基元件 突破量子计算机制造瓶颈

澳洲科学家在量子计算研究领域再次取得重要突破。据澳大利亚贸易委员会(Austrade)最新消息,悉尼新南威尔士大学(UNSW)科研人员找到一种新方法,可利用量子计算技术制造硅基计算机芯片。这项重大研究成果为制造超高速量子计算机奠定基础,相关研究论文已于近日发表在国际著名期刊《自然》(Nature)杂志网络版上。

  ACB News《澳华财经在线》报道,UNSW研究小组带头人Andrew Dzurak表示,本次研究成果对于制造量子计算机具有历史性意义。澳洲工程师用半导体材料硅制造出量子逻辑门(quantum logic gate),首次使两个量子比特(quantum bits)或者“量子位”(qubits)间信息计算成为可能。

  作为打造量子计算机的基本元件,两比特量子逻辑门的成功制造具有里程碑意义。“更重要的是,我们利用硅成功制造出这种元件”,Dzurak教授说道,“这一成果克服了研究人员利用硅材料制造量子计算机所面临的最后障碍”。

  传统电子计算机用“比特”作为信息存储单位。按照传统计算系统,数据信息主要以二进制数码“0”和“1”形式存储,两种状态无法共存。每个比特均储存在一对晶体管中:一个关闭,则另一个开启。而量子计算机计算过程则由诸如电子和原子核一类的量子粒子实现,每个粒子代表一个量子位。量子位具有一种独特能力,可以同时处在两种不同的状态。

  量子位这种独特能力被称作“量子态叠加”(Quantum Superposition)。量子计算机利用量子粒子的这种性能和特点,用“量子比特”作为信息存储单位,可确保计算机快速处理海量数据,解决复杂的数据密集型难题。

  世界各地的科学家都在致力于利用特殊材料开发新型系统,UNSW研究团队的关键优势在于:利用具有半导体特性的硅作为基础材料。

  硅作为晶体管的载体在制造计算机芯片方面具有显著优势。《自然》杂志论文首席作者Menno Veldhorst博士介绍称,智能手机或者平板电脑中的硅基芯片上可刻蚀将近10亿个晶体管。UNSW研究人员通过使单个晶体管与单个电子相互连接,可将这些硅晶体管成功转变为量子比特,并借助电子“自旋”(与电子微小磁场相关)将信息数据存储起来。

  Dzurak教授强调,他所带领的研究小组近期已经取得设计原尺寸硅片的专利权。这些硅片一旦制作成功,“上百万个量子比特可共同完成我们之前在试验过程中所演示的各种计算”。他表示,研究小组下一步工作的重心将是寻找合适的行业合作伙伴,然后按照原尺寸共同制造量子计算机硅片。

  量子处理器的发明将对多个产业造成影响,包括金融、安保、信息技术和医疗保健等。

中国发布全球首个量子安全传输技术

解放日报 解放网讯 (记者 任翀)中国企业在量子通信领域迈出了重要一步——量子安全通信产品首次落地公共云,标志着互联网迈入量子时代。今天,阿里云与中科院旗下国盾量子联合发布量子加密通信产品。双方已在阿里云网络环境建立多个量子安全传输域,通过量子传送门实现同城数据中心互联组网,为客户提供无条件安全数据传输服务。

据悉,这是全球首家云服务商提供量子安全传输产品落地服务。这项成果的发布,将对全球量子研究和云计算发展具有里程碑意义。

中国科学院院士潘建伟表示,进入21世纪以来,量子通信成为国际上量子物理和信息科学与技术的研究热点。一旦真正意义上的通用量子计算机问世,将比目前最先进的超级计算机运算速度快百亿亿倍。但随着人类计算能力突飞猛进的发展,经典加密通信被破译的风险与日剧增。而新发布的量子通信安全技术是目前唯一的安全性得到严格证明的保密通信方式,即使未来量子计算机出现,也能保证数据安全。量子加密传输通过量子密钥无条件地保障信息安全,传输过程中的一切信息截获、密码破译、黑客技术,都将变得无能为力。

另据了解,中科院与阿里云联手在上海成立的量子实验室也在紧张研发中,进一步开展量子信息科学领域前瞻性研究,包括研制量子计算机和相关技术。

量子计算机革命性突破!量子门叠加态首次实现

 OFweek电子工程网:奥地利物理学家成功在实验室将两个逻辑门叠加构建出全新量子计算机模型,能比标准量子计算机更高效地完成量子计算任务。新研究有望为全新量子计算建立理论基础,并设计出计算速度更快的量子计算机。
  虽然量子力学理论中还有诸多未解之谜,但许多量子现象已经得到验证并运用于多个领域:从超安全通讯到寻找现有通讯的安全漏洞,从模拟复杂量子系统到为大型方程组寻找答案,等等。而这些运用中,最激动人心的技术当属量子计算机。
  量子逻辑门是量子计算机的基本单元,而构建足够多的量子门来实现量子计算又很困难。传统量子计算中,量子逻辑门按照一种特定顺序排列,即一个逻辑门只能在另一个逻辑门的前面。
  新研究却实现了量子逻辑门的叠加,它们可以同时按多种序列相互作用,这将大大减少某些量子计算中量子逻辑门的数量。
  菲利普·瓦特领导的奥地利科学院和维也纳大学物理学家团队设计了一个实验,将两个逻辑门运用到单光子电路中,结果发现,两个逻辑门并不是按照你先我后的单一顺序进行量子运算,而是同时以两个顺序,即逻辑门A在逻辑门B之前和逻辑门B在逻辑门A之前两个逻辑序列发挥作用。
  如果加入更多的逻辑门,则会同时形成更多的逻辑序列叠加态,比以前的量子计算更快更高效。
  这是科学家首次在实验室实现量子门的叠加态,同时还证明了一种全新的更加高效的量子计算方式。
  即将在《自然·通讯》杂志上发表的这一最新研究为未来创建全新的量子计算机开启了一扇大门。
  研究发现,不仅量子态可以叠加,量子门也能叠加。维也纳大学的瓦特成功实现两个量子门A和B的叠加,这样形成的无序性量子计算机比单序列量子计算机效率更高。

量子计算机突破:四量子位原型电路完成

  日前,IBM的研究人员完成了四量子位原型电路,这一电路采用四个超低温超导设备构建,为推出真正量子计算机奠定基础。

虽然计算机芯片仍能以继续堆积晶体管的方式遵循摩尔定律,但是传统手段正变的越来越难以将更多的晶体管集成在一起。此时,量子处理器变得越来越重要。IBM研究中心主管Supratik Guha表示:“可以肯定的是,摩尔定律将在未来十年内走到尽头。”

  由于量子不像半导体只能记录0与1,可以同时表示多种状态。如果把半导体比喻成单一乐器,量子计算机就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况。一个40比特的量子计算机,能在很短时间内解开1024位电脑花上数十年解决的问题。凭借量子的多态性,其速度远胜传统电脑。

  目前,IBM正将赌注押在量子计算机上,这有可能超越传统计算机,帮助开发新一代的数据分析、机器学习和加密计算方式。去年夏季,IBM宣布未来五年将投入30亿美元用于下一代半导体研究,其中就包括量子计算。

  研究人员认为,能计算数百量子位的计算机可能在5到10年内出现,“量子计算机可以用来破解当今最复杂的加密方式,或者搜索数量难以想象的数据。”

微芯片上首次实现量子隐形传态

 OFweek电子工程网讯:由英国和日本科学家组成的国际研究团队首次成功地将量子隐形传态的核心电路集成为一块微型光学芯片。这一新研究为科学家最终制造出超高速的量子计算机和超安全的量子通信铺平了道路。
  尽管目前的计算技术已经取得了重大进步,但其性能正在接近传统物理学的极限。另一方面,科学家们预测,量子力学原理将使得超安全的量子通信和超强大的量子计算机出现成为可能,从而突破目前技术的限制,但实现这一目标最重要的一步就是使用量子隐形传态技术。
  量子隐形传态,在概念上类似于科幻小说中的“星际旅行”,即可以利用量子纠缠把量子态传输到遥远的地方,而无需传输载体本身,这在量子通信和量子计算网络中发挥着至关重要的作用。
  然而,传统的量子隐形传态实验需要数百台光学设备一起工作,全套系统可能填满整个实验室。2013年,东京大学应用物理系的古泽彰教授和同事成功地实现了完美的量子隐形传态,但需要一套占地数平方米的设备,这一设备需要数月制造且无法升级。
  现在,由英国布里斯托大学量子光学中心的负责人杰里米·奥布赖恩领导的最新实验摒弃了这些光学电路,并使用先进的纳米构造技术,将其功能集成在一个占地仅0.0001平方米的微型硅芯片上,这是科学家们首次在一个硅芯片上展示量子隐形传态,而且研究表明,新的系统能够升级。研究人员表示,最新研究成果朝着最终将量子计算机集成为一块光学芯片目标,迈出了关键的一步。
  奥布赖恩表示:“能将一般需要占据整个房间的光学电路的功能复制在一块光学芯片上,是巨大的成就。实际上,我们将复杂的量子光学系统的大小整整减少了1万倍。”
  古泽彰则指出:“最新成就使我们能在光学芯片上实现完美的量子隐形传态,接下来是对整个量子隐形传态系统进行整合。”

单个光子”纠缠”3000个原子 有望制造更快量子计算机

美国麻省理工学院和贝尔格莱德大学的物理学家开发出一种新技术,使用单个光子成功实现了与3000个原子的纠缠,创下了迄今为止粒子纠缠数量的新纪录。该技术为创建更复杂的纠缠态奠定了基础,未来有望借此制造出运算速度更快的量子计算机和更精确的原子钟。相关论文发表在今天出版的《自然》杂志上。
论文第一作者、麻省理工学院物理学教授弗拉丹·卢勒狄克说:“或许你会说单个光子不可能改变3000个原子的状态,但是在新的实验中这个光子的确做到了这一点,这在以前从未有过。我们开辟了一种新的纠缠态类别。”
量子纠缠是一种奇特现象,理论上是指粒子在两个或两个以上粒子组成的系统中相互影响的现象,即使相距遥远,一个粒子的行为也会影响另一个的状态。比如两个原子组成的纠缠系统中,如果一个原子在某种力量的作用下发生顺时针旋转,另一个则会立即逆时针旋转,即便两个原子的物理距离相隔数千公里。科学家们一直在寻求方法让大量的原子实现纠缠,为功能强大的量子计算和精确的原子钟奠定基础。
如今最好的原子钟基于原子的自然振动。由于原子的振荡,它们会和钟摆一样保持稳定的时间。原子钟中的激光可以检测出原子的振动状态,最终确定一秒钟的长度。这种时钟就算是从宇宙大爆炸那一刻开始工作至今,误差也不会大于一分钟,可以说是现今最稳定的时钟。原子钟的精度与参与振动的原子数量成正比。常规原子钟精度是参与振动的原子数量平方根的倍数。因此,参与纠缠的原子数量越多,原子钟精度就越高。
此前大多数量子纠缠仅限于两个原子,只有一个科研小组成功让100个原子实现了纠缠。卢勒狄克团队的新研究成功实现了3000个原子相互纠缠,而这一切都由一个微弱、只含单个光子的激光脉冲引发。卢勒狄克说,光越弱越好,因为它不容易导致扰动,整个系统会处于一个相对纯净的量子态中。
卢勒狄克团队研究人员首先冷却原子云,让这些原子被困在一个激光陷阱中,再通过云发送一个微弱的激光脉冲。而后,他们用一个特制的探测器来寻找激光束中的特定光子来促成这种独特的纠缠态。他们目前正在使用单光子探测技术制造新的原子钟,希望克服所谓的“标准量子极限”,在量子态测量精度上实现突破。
这项新研究得到了美国国家科学基金会、美国国防部高级研究计划局和美国空军科学研究办公室的资助。

半导体所等在量子比特退相干研究中获得新发现

在中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室李树深院士的研究组中,博士生马稳龙与香港中文大学刘仁保教授、北京计算科学中心赵楠研究员合作,在Si:P系统量子比特的退相干研究方面取得了新的理论发现,并被英国伦敦大学John J.L. Morton教授的实验组所证实,理论和实验的工作一起发表在Nature子刊系列《自然·通讯》上。

  与经典计算机中的比特对应,量子比特是存储量子信息的基本单位。量子计算机的核心是利用量子力学中的相干性,而量子比特与环境耦合导致的退相干是实现量子计算的主要阻碍之一。但是,近些年的研究发现,量子比特的退相干过程包含了环境中的重要信息,因此可以作为一种探测环境性质的有效手段,例如利用自旋比特退相干去探测单个核自旋以及多体系统的相变过程等。

  在基于自旋量子计算中,利用Si中的杂质电子自旋作为量子比特有很多独特的优势,包括与传统半导体工艺兼容和较长的量子比特相干时间等。Si中的P杂质(Si:P)是被广泛研究的一种体系。在低温Si:P系统中,自旋退相干主要是由P电子自旋与29Si核自旋之间的耦合引起的。动力学解耦是抑制自旋退相干的一个有效手段,它主要是通过一系列在特定时间点电子自旋施加的翻转脉冲来有效地抑制自旋比特与环境的耦合。

  在对Si:P系统的P电子自旋退相干研究中,李树深的研究组和合作者们发现,通过调整动力学解耦脉冲数量的奇偶性,可以分别探测到29Si核自旋之间不同的多体关联。当动力学解耦的脉冲数量为奇数时,自旋退相干主要是由核自旋之间的二阶关联(两体作用)引起的;而当动力学解耦的脉冲数量为偶数时,自旋退相干主要是核自旋之间的四阶关联(三体关联和四体关联)引起的。

  这一发现不仅是自旋退相干理论研究的一个突破进展,而且为探测纳米尺度环境中的多体过程提供了一种可能方案,并可能在鉴定分子结构和固体缺陷性质方面获得重要的应用。

  该工作得到了科技部国家重大科学研究计划、国家自然科学基金委的支持。(半导体研究所)

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  (a)利用P杂质电子自旋退相干来探测29Si核自旋之间的多体关联(b)核自旋的二阶关联和四阶关联的费曼

量子信息实现瞬移 爱因斯坦或犯大错

中国日报网5月30日电(王琦琛) 《科学》杂志5月29日刊文称,科学家成功做到不需要载体就能传递信息,有望证明爱因斯坦也曾犯下重大错误,而人类距离新一代量子计算机又近了一步。

荷兰戴尔福特科技大学卡夫里纳米科学研究所的科学家表示,能够有效地在相隔3米远的两个量子比特之间传输信息。这涉及量子隐形转态技术(quantum teleportation),不需要载体就能把量子信息转移到其他地方。

成功的量子隐形转态为量子纠缠(quantum entanglement)理论提供了强有力的支持。量子纠缠理论认为,相隔几个光年的粒子仍然能相互联系,并且能相互影响。科学家下一步要增加传输量子信息的距离,由3米增长至超过1公里,重复以上试验。

爱因斯坦曾公开质疑量子纠缠理论。研究带头人罗纳德•汉森说:“5、6个团体正在争相证明爱因斯坦是错的,这可是条大鱼。”

汉森的研究团队在极低温的环境下,用电子把量子比特“囚禁”在钻石中,并在钻石之外有效读取量子比特的数值。

和传统技术相比,量子比特并不仅限于二进制中1和0两个变量,却能同时呈现多种数值,既为开发速度更快的新一代计算机打下基础,还有助于建立完全安全的通信网络。

德国科学家研究量子记忆体取得新进展

据德国马普学会网站消息,马普量子光学研究所(MPL)的专家团队于近期首次成功在晶体中精确定位单个稀土离子,并准确测量了其量子力学的能量状态。这一研究使得在离子中存储量子信息成为可能,将对未来量子计算机的研发产生重大贡献。
  世界范围内,很多学者都在研究构建未来的量子计算机的模块。其中,量子系统是关键要素,量子点或光吸收缺陷(色心)是目前许多研究者关注的焦点。但是,稀土离子发出的光非常小,很难被检测到。借助精密激光和显微镜技术,专家们经过六年多的深入研究,在硅酸钇晶体中把3价镨离子(Pr3+)精确定位在几纳米,并以前所未有的精度测量了其光学特性。
  科学家们用激光来激发晶体中的单离子,并观察他们如何在一段时间之后以光线的形式再次放出能量。由于稀土离子受晶体的热学和声学振动影响不强烈,其部分能量状态异常稳定,需要一分多钟才回到基态,这比大多数今天研究的量子系统时间长数百万倍。量子信息存储在一个原子或离子的不同能量状态时,镨离子可作为量子计算机的存储器。
  将来研究人员用纳米天线和微谐振器把镨信号加强几百或几千倍,每秒响应的单个离子小于100个光子,届时离子的信号可以更容易地被看到。

美大学开发出5量子位处理器,首次带纠错功能

美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)开发出了利用5个量子位(qubit)的冯·诺依曼型量子计算机用处理器。相关论文已发表在2014年4月23日的学术期刊《Nature》在线版上。在安装有“Surface Code”量子计算机纠错技术的处理器中,这是使用量子位最多的一例。此前的纪录是IBM公司在不久前召开的学会上发表的4个量子位。

UCSB此次自主设计了“Transmon”型量子位,并配置为5个排成一列的形式。该量子位为十字形,因此UCSB称之为“Xmon”。

Transmon是一种利用以超导状态工作的约瑟夫森结(JJ)元件的量子位,属于电容器性质略强的类型。顺便提一句,电容器性质强的量子位称为相位量子位或者磁通量量子位。UCSB曾在2012年试制出了使用4个相位量子位的处理器。

在过去的研发中也有使更多量子位联动工作的例子,但此次采用5量子位并配备了Surface Code还属首例。Surface Code是量子计算纠错技术之一,如果能够在两个相邻的量子位之间实现量子纠缠状态,便可发挥纠错功能。因此,将多个量子位安装于处理器变得容易。

UCSB已确认,在此次开发的处理器中,5个量子位形成了量子纠缠状态(GHZ状态)。在工作可靠性方面,1个量子位的保真度(Fidelity)为99.92%,2个量子位的保真度为99.4%,达到了连续工作所必需的99%以上的要求。(记者:野泽 哲生,《日经电子》)