月度归档:2013年02月

英文阅读:研究人员提出量子计算机架构的新突破点

A team of researchers at the University of Waterloo’s Institute for Quantum Computing has proposed a new computational model that may become the architecture for a scalable quantum computer. In a paper to be published in the journal Science this week, the research team of IQC Associate Professor Andrew Childs, post-doctoral fellow David Gosset and PhD student Zak Webb proposes using multi-particle quantum walks for universal computation. In a multi-particle quantum walk, particles live on thevertices(至高点,头顶) of a graph and can move between vertices joined by an edge. Furthermore, nearby particles can interact with each other.

Traditionally, a quantum algorithm is implemented(实施,执行) on a register of qubits by actively manipulating the qubits according to a set of desired operations. In this new model, a desired quantum algorithm can be implemented by letting the qubits “quantum walk” on an appropriately chosen graph, without having to control the qubits. The process is analogous(类似的) to a billiard-ball computer where classical logic gates are performed using collisions.
Many previous quantum-walk experiments have not been scalable. But this new model proposed by Childs and his team identifies the requirements to implement quantum walks so they have the potential for significant quantum speedup, paving the way for scalable future experiments. The model could be naturally realized in a variety of systems, including photons with interactions mediated by superconducting circuits.
Quantum walk-based computing is particularly promising because of its universality. “In principle we can cast any quantum algorithm into this model,” says Childs. In future work, Childs and his team are interested in applying the model to develop new quantum algorithms and to study problems in quantum computational complexity.

量子计算机理论有新进展

未来的超快速计算机可以由超导材料和机械谐振器组成,他们体积极小,前者负责计算,而后者提供存储。一个国际的物理学家小组提出了这个构想,他们正在进行一项新工作,展示了量子信息可以由上述途径在两个部件间传输而不受环境干扰。

量子计算机理论基于一个违背常理的事实:微观物体可以同时存在于两种不同的状态下!传统计算机处理许多“位 ”–也就是“0”或者“1”,而量子计算机处理“量子位”–可以同时为“0”和“1”,这使得量子计算机可以并行进行巨大量的操作,因而远远快于传统计算机。

物理学家正在尝试用不同的方法建造量子计算机,不过却各有缺点。有的利用粒子–例如原子,分子或者光子–的自旋。这类计算机克服了量子计算机实现的一大挑战–使量子状态稳定而不受外界干扰,缺点就是需要体积巨大的仪器,不适宜用于有大量“量位”的计算机。 而利用了超导体的量子-机械性质的固态设计可以克服体积增大的问题,但是却极易受到电磁干扰。

 

混合

“混合量子系统”尝试结合不同方法的优点以克服上述问题。在最近的研究中,芬兰Aalto大学的 Mika Sillanpää 和其同事将一个超导“量子位”同两种谐振器–一个机械的,一个电的–组合在一起。他们展示的这个超导“量子位”可以像一个人工原子那样,发送或者接受来自机械谐振器的震动量子(我们称之为声子), 然后这个声子以电磁量子(我们称之为光子)形式被电谐振器捕获。

这三个部件均由将铝覆盖在在1平方毫米的蓝宝石基底上得来。机械谐振器的震动部分是悬浮在超导电路一端上方50纳米的面积为 5微米 x 4微米的铝片,而谐振器得主要部件是两个约瑟夫森结–一对由薄的绝缘体分隔的两个超导体。这个超导电路再连接到电谐振器的一端–微波被馈送进入这个波导中。

研究人员测试这个装置的第一步,是将超导电路暴露于磁场中以在电路中形成两个“电荷态”,这好比创造了一个有两个能级的原子。他们然后给原子馈送一个交变电流–电流的频率等于原子的能级差。 这样,原子被激发成为“电荷态”之间的“Rabi 振荡器”。在确认“量子位”工作正常之后,研究人员将qubit与机械谐振器耦合。将馈送给“量位”的交流频率减小,直到“Rabi 振荡器”的能量簇下降幅度等于振臂的能量簇。

 

耦合

为了证明“量位”确实已与谐振器耦合,研究人员检测了波导中的微波的相位。他们发现同他们直接将能量施加于“量子位”时相比相位的变化相同,这与预测相同。换句话说,声子与人造原子的“电荷态”结合,结合后的状态调制在波导中的声子,效果与单独的“量位”作用相同。

合作成员 Pertti Hakonen 认为这个结果使得探索许多非经典状态–例如那些量子数已定义的声子–成为可能。一个极端例子是,单个声子对于“量位”能量间隙的改变量增大到与机械或者电子振荡器的衰变率一致。

 

存储

据Hakonen说,最新的研究可能还会成为量子存储器的基础–类似于传统计算机的只读存储器,量子信息以不同振幅的叠加态形式储存。 不过,他也提到,在实现这种存储器之前还要克服许多障碍,例如如何增加机械振荡器的频率以使能量间隙大于热噪声值– 这么做需要将振荡器变短,但会减少振荡器与“量子位”间的耦合,导致实验实施更加困难。

英国牛津大学的Andrew Briggs认为这最新的研究是通向更长寿命的量子存储器的道路上的“重要一步”。“这(研究)显示了耦合强度能大到足够进入量子领域”他说,“其中还包括在越来越大的宏观结构上演示量子现象的成果。”

 

研究结果已发表于《自然》杂志

关于作者

Edwin Cartlidge 是罗马的科学作者