月度归档:2013年03月

激光照射量子点为开发量子计算机开辟新道路

奥地利因斯布鲁克大学的科学家借助微型半导体结构,用激光照射量子点首次获得了成对的光子。这一成果可进一步推动量子的应用研究,并可用于量子计算机的开发。

量子点是准零维的纳米材料,由少量的原子构成。单个原子很难被“固定”,而量子点比较容易“被集成到半导体芯片中”。研究人员在实验中采用了砷化铟中的量子点。这种量子点每个有约一万个原子组成,由于其特殊的结构,它们的活动与单一原子十分相似。

研究人员首先用液态氦对嵌入在一个微型半导体结构中的量子点进行冷却,然后用激光照射以提高电子能量状态,最终能量便以光子形式得到释放。因斯布鲁克大学实验物理研究所专家魏斯说,目前科学家们已经能够有意地从一个量子点中得到成对光子。目前,研究人员还尝试将量子点与激光器集成在一个芯片上,这样就能很方便地产生成对光子。成对光子在量子研究中有着很好的应用前景。

这一研究成果已刊登在最新一期《物理评论快报》杂志上。

美国军火商宣布:将制造商用型量子计算机

量子计算机在我们的概念中都是属于科幻电影的产物,如果你真的有一台量子计算机的话,那么网络世界对于你将会是毫无保留开放的,借助量子计算机的强大运算能力,任何网络上的秘密对于你来说唾手可得。有趣的是率先公布将推出量子计算机的并非IBM和微软等IT厂商,而是世界军火巨头洛克希德·马丁公司,千万不要以为这是一个笑话,因为很多技术的革命都是从军火商那开始的。

量子计算机

量子计算机(quantum computer):

它是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

这一概念早先由理查德·费曼提出,一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大,一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到,如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。

量子计算机

据洛克希德·马丁称,商用型计算机原型是由加拿大D-Wave公司制作的量子计算机,通过两年技术升级洛克希德·马丁使得这台原型机可以达到商用水准,如果新计算机像洛克希德和D-Wave期望的那样运转,那么,它将可以极大地提升哪怕是如今最强大的计算机系统的运算能力,其处理科技和商务问题的速度,会比今天快数百万倍。

量子计算机

洛克希德公司的技术主管雷·约翰逊说,公司将利用量子计算机开发和测试复杂的雷达、航天和航空器系统。这种计算机将可以完成许多任务,比如即时得出一个有几百万行代码的卫星网络管理软件遇到太阳黑子爆发或核爆炸冲击波时会作何反应。当然今天的超级计算机也可以做到不过要花几周的时间。鉴于洛克希德·马丁军火商的身份,军用级的量子计算机装备估计会率先用到美国国防部。

洛克希德升级量子计算机

洛克希德·马丁两年前曾购买了加拿大D-Wave 系统公司的一款早期量子计算机。如今,它对这种技术已经有了足够的信心,决定把量子计算机升级为商用型,从而成为首家经营量子计算机业务的公司。但如果新的计算机像洛克希德和D-Wave 期望的那样运转,那么它将可以极大地提升哪怕是如今最强大的计算机系统的运算能力,其处理科技和商务问题的速度,会比今天快数百万倍。洛克希德公司的技术主管雷·约翰逊(Ray Johnson)说,公司将利用量子计算机开发和测试复杂的雷达、航天和航空器系统。这种计算机将可以完成许多任务,比如即时得出一个有几百万行代码的卫星网络管理软件遇到太阳黑子爆发或核爆炸冲击波时会作何反应。这类任务用今天的技术,即使可以做到,也要几周的时间。

量子计算机将带来速度革命

不列颠哥伦比亚温哥华——我们的数字时代是由位元构建的。一个位元就是一个0和1的特定状态,由此产生出所有现代计算机编码。

但是现在,一家大型军工企业即将推出一种强大的新型商用电脑,它将把计算机技术带进量子力学的神奇亚原子世界。那是一个奇妙的微观世界,在那里,常识逻辑好像都不再适用。1可以是1,也可以是1和0,或者同时处于介乎二者之间的任意状态。

这听起来可能有些荒诞,尤其是对那些习惯于非是即否的传统计算技术的人。但是学院研究员和微软(Microsoft)、IBM、惠普(Hewlett-Packard)等企业的科学家的确是在开发量子计算机。

洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)两年前曾经购买了加拿大D-Wave系统公司(D-Wave Systems)的一款早期量子计算机。如今,它对这种技术已经有了足够的信心,决定把量子计算机升级为商用型,从而成为首家经营量子计算机业务的公司。

也有人并未信服,说D-Wave公司还不能对外界的科学家证明,它已经解决了量子计算的众多难题。

但如果新的计算机像洛克希德和D-Wave期望的那样运转,那么,它将可以极大地提升哪怕是如今最强大的计算机系统的运算能力,其处理科技和商务问题的速度,会比今天快数百万倍。

洛克希德公司的技术主管雷·约翰逊(Ray Johnson)说,公司将利用量子计算机开发和测试复杂的雷达、航天和航空器系统。这种计算机将可以完成许多任务,比如即时得出一个有几百万行代码的卫星网络管理软件遇到太阳黑子爆发或核爆炸冲击波时会作何反应。这类任务用今天的技术,即使可以做到,也要几周的时间。

“这将是一场革命,就像早期计算机革命一样,”他说,“它会改变我们对计算机的理解。”还有很多机构会发现D-Wave量子计算机的新用途。研究癌症的科学家认为,可以用它快速处理海量基因数据。量子计算还可能用于研究人类基因组中蛋白质的行为。这是一项比基因组测序更艰巨的工作。谷歌(Google)的研究人员也开始与D-Wave合作,利用量子计算机识别汽车和地面标志物,这将是管理自动驾驶交通工具的关键一步。

量子计算比传统计算技术快得多,是因为亚原子粒子的神奇特性。自从第一台计算机问世以来,我们用0和1的精确状态表达数据;而亚原子粒子则同时处于多种状态,量子计算利用的就是亚原子的这种特性。粒子之间不同的互动关系也可以同时并存。所有这些可能的粒子状态可以被缩小范围,在近乎无限多的可能性中得出一个最佳结果,从而实现快速解决某些类型的计算问题。

D-Wave公司总部在温哥华,已有12年的历史。目前,公司得到了多方投资,包括亚马逊(亚马逊运行着世界最庞大的计算机系统之一)的创始人杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)、投资银行高盛集团(Goldman Sachs)和投资公司In-Q-Tel,一家与中央情报局(Central Intelligence Agency)等政府部门关系密切的公司。

D-Wave首席执行官维恩·布劳内尔(Vern Brownell)说:“我们现在做的,是一种平行于过去70年来的计算机技术的开发工作。”

布劳内尔于2009年来到D-Wave。2000年以前,他一直是高盛的技术主管。“那时候,我们有5万台服务器,仅仅是为了进行模拟运算”来决定交易策略,他说,“现在的运算规模肯定比那时更大了。但是我们将可以只用一台机器,成本也低很多。”

研究人员致力于开发量子计算技术已经30多年了。但是要实现这个目标一直很困难。他们的思路是利用物质在量子状态下的一种特性。这种状态被称作叠加态。在叠加态下,量子计算机的基本单位,量子位元,可以同时承载极大量的数值。

科学家有多种方法可以创造达到叠加态和另一种被称作量子纠缠的状态所需的条件。量子叠加和量子纠缠都是量子计算所必需的。研究人员已经做到了使磁场中的离子悬浮,在硅中制造光子陷阱,或者操控磷原子。

洛克希德购买的D-Wave计算机使用的数学方法和竞争对手有所不同。在D-Wave计算机的系统里面,由极细的超导线网构成的量子处理器被冷却到接近绝对零度。然后,把一组数学公式加载到超导线网上,对处理器进行编程。

然后,处理器检索几乎无限多的可能性,判断出构建那两种粒子关系所需的最少能量是多少。这个被视为最佳结果的状态,就是问题的答案。

这种方法被称为绝热量子计算,很可能在计算蛋白质折叠等领域大有可为。D-Wave的设计师还说,这种方法可能还可以用来评估复杂的金融策略或庞大的物流问题。

然而,公司的科学家还没有发表任何科学数据,证明他们的系统运算速度比传统的二进制计算机快。植物也在利用类似的亚原子特性,在几微秒(百万分之一秒)甚至几奈秒(十亿分之一秒)的瞬间,把太阳光转化为光合能。但是对D-Wave量子计算持批评态度的人说,那根本不是量子计算,而是一种典型的热能行为。

John Markoff自旧金山对本文有报道贡献。

翻译:黄少杰

中科院发现新型量子效应 或打开量子计算机研制大门

由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队,经过数年不懈探索和艰苦攻关,最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要科学突破,该物理效应从理论研究到实验观测的全过程,都是由我国科学家独立完成。

由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学、中科院物理所组成的团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应,在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后终于实现了反常霍尔效应的量子化。这一研究成果已经发表在权威杂志《科学》上。

中科院院士薛其坤

困扰科学界20余年的难题

量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。它是一种典型的宏观量子效应,是微观电子世界的量子行为在宏观尺度上的一个完美体现。1980年,德国科学家冯•克利青(Klaus von Klitzing)发现了“整数量子霍尔效应”,于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华裔物理学家崔琦(Daniel CheeTsui)、美国物理学家施特默(Horst L. Stormer)等发现“分数量子霍尔效应”,不久由美国物理学家劳弗林(Rober B. Laughlin)给出理论解释,三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。在量子霍尔效应家族里,至此仍未被发现的效应是“量子反常霍尔效应”——不需要外加磁场的量子霍尔效应。

图1

图一,量子反常霍尔效应的示意图,拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态,从而导致量子反常霍尔效应

“量子反常霍尔效应”是多年来该领域的一个非常困难的重大挑战,它与已知的量子霍尔效应具有完全不同的物理本质,是一种全新的量子效应;同时它的实现也更加困难,需要精准的材料设计、制备与调控。1988年,美国物理学家霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不需要外磁场的量子霍尔效应,但是多年来一直未能找到能实现这一特殊量子效应的材料体系和具体物理途径。

在世界顶级机构的竞争中脱颖而出

2010年,中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟教授等合作,从理论与材料设计上取得了突破,他们提出Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制,能形成稳定的铁磁绝缘体,是实现量子反常霍尔效应的最佳体系[Science,329, 61(2010)]。他们的计算表明,这种磁性拓扑绝缘体多层膜在一定的厚度和磁交换强度下,即处在“量子反常霍尔效应”态。该理论与材料设计的突破引起了国际上的广泛兴趣,许多世界顶级实验室都争相投入到这场竞争中来,沿着这个思路寻找量子反常霍尔效应。

图二,理论计算得到的磁性拓扑绝缘体多层膜的能带结构和相应的霍尔电导

在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中实现“量子反常霍尔效应”,对材料生长和输运测量都提出了极高的要求:材料必须具有铁磁长程有序;铁磁交换作用必须足够强以引起能带反转,从而导致拓扑非平庸的带结构;同时体内的载流子浓度必须尽可能地低。最近,中科院物理所何珂、吕力、马旭村、王立莉、方忠、戴希等组成的团队和清华大学物理系薛其坤、张首晟、王亚愚、陈曦、贾金锋等组成的团队合作攻关,在这场国际竞争中显示了雄厚的实力。他们克服了薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关,一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控,利用分子束外延方法生长出了高质量的Cr掺杂(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜,并在极低温输运测量装置上成功地观测到了“量子反常霍尔效应”。该结果于2013年3月14日在Science上在线发表,清华大学和中科院物理所为共同第一作者单位。

图三,在Cr掺杂的(Bi,Sb)2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜中测量到的霍尔电阻

该成果的获得是我国科学家长期积累、协同创新、集体攻关的一个成功典范。前期,团队成员已在拓扑绝缘体研究中取得过一系列的进展,研究成果曾入选2010年中国科学十大进展和中国高校十大科技进展,团队成员还获得了2011年“求是杰出科学家奖”、“求是杰出科技成就集体奖”和“中国科学院杰出科技成就奖”,以及2012年“全球华人物理学会亚洲成就奖”、“陈嘉庚科学奖”等荣誉。该工作得到了中国科学院、科技部、国家自然科学基金委员会和教育部等部门的资助。

新发现的实用价值

量子反常霍尔效应的发现说明了中国在精密制造、材料制备、精密测量等方面的技术达到了世界顶尖水平。今后中国将有能力在更多的科技前沿项目上取得进步。

同时,这一效应在芯片制造领域将有重要应用价值,目前有许多传感器利用霍尔效应来工作。而中国科学家新发现则可以让霍尔效应在无强磁场的情况下也能发挥作用。这有望大大降低芯片发热量,进一步缩小芯片的体积,增强芯片性能。此外,这一效应也是制造量子计算机的基础,量子计算机的计算速度,储存能力等都将比现有计算机有巨大的提高。

或冲击诺贝尔奖

1980年,德国科学家冯•克利青(Klaus von Klitzing)发现了“整数量子霍尔效应”,于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华裔物理学家崔琦(Daniel CheeTsui)、美国物理学家施特默(Horst L. Stormer)等发现“分数量子霍尔效应”,不久由美国物理学家劳弗林(Rober B. Laughlin)给出理论解释,三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。

 

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黑莓创始人染指量子计算机

黑莓公司前CEO,有着“黑莓之父”之称的Mike Lazaridis自2012年1月辞去所有公司职务之后都在忙些什么呢?路透社今日刊登的一篇报道为我们解开了答案。

报道中提到,Mike Lazaridis与黑莓的另一位创始人Doug Fregin近日宣布将投入1亿美元巨资研发足以领导下一次计算机革命浪潮的商用化量子科学技术

据悉,Mike Lazaridis一直都对物理学有这浓厚的兴趣,其曾于去年在加拿大滑铁卢建立了名为“量子和纳米中心”的研究设施,并希望这处研究场所未来能够成为量子技术研究的核心单位,并以此来推进量子计算机领域新技术的发展。

在本周二的一次发言中,Mike Lazaridis信心满满的对外界表示:“我们目前在经典技术领域的任何所见所闻都无法与量子技术所带来革命性成果相提并论。因此,我们相信量子物理学有能力改变社会,因此我们在12年前制定了一套策略,孕育出现有的世界级量子科研实力。”

Mike Lazaridis介绍称,他此次与Doug Fregin所投入的1亿美元主要是用来设立量子技术研发投资基金,其作用是为那些从事量子技术领域工作的发明者和企业家提供资金和知识资源。

同时,《华尔街日报》也刊文表示,Mike Lazaridis目前已经做出了第一笔投资,但他不愿透露被投资人的具体信息

拓扑量子计算机有了新设计

据美国物理学家组织网11月9日报道,目前许多关于容错量子计算机(fault tolerant quantum computation ,FTQC)的设想都会遭遇测量损失问题。一个英国和澳大利亚的联合研究小组设计了一种拓扑FTQC方案,具有高达24.9%的容错阈值和极强的抗损能力,让其在信息损失和计算错误同时存在的情况下,仍保持良好的工作能力。这也显示出制造量子计算机或许比我们预想的更容易。该研究发表在11月9日的《物理评论快报》上。

量子计算机在很多领域具有广泛应用前景,如药物设计、电子学甚至破译编码。多年来科学家一直醉心于建造能在量子水平工作的计算机,其量子系统由安排好的纠缠量子所构成,使用量子比特或“昆比特”来存储信息。

量子微粒能同时存在于两个位置。论文主要作者、英国皇家学会研究员、伦敦帝国学院物理系的肖恩·巴雷特博士说:“这让量子计算机具有强大的计算能力。理论上,可以设计来破解公共密钥,或模拟复杂系统,比传统计算机更快。”

然而这种机器难以制造也是众所周知的。人们曾经认为量子计算机对失误非常敏感,过去20年来该领域也一直争议不断,至今仍找不到管用的量子计算机。

现在,巴雷特和澳大利亚昆士兰大学的同事托马斯·斯泰斯开发了一种“错误矫正”编码系统,能矫正昆比特丢失之类的特定错误。通过审查剩余昆比特提供的文本,来正确破解丢失的信息。他们结合了一种立方体格栅渗滤的方法,发现量子计算机在失去近1/4昆比特的情况下仍能良好工作,容错率达到24.9%。

“正像你能在漏掉一些字母的情况下,也能分辨出一个单词的含义,或者你用了一条差劲的电话线,也能得到谈话的要旨,我们就是基于这一点来设计量子计算机。”巴雷特说,“这是令人吃惊的,因为你不能指望一个失去了1/4珠子的算盘还能用。”

巴雷特说,根据理论计算的结果,量子计算机或许比预想的更加容易制造。下一步是要在实验室里把这些想法演示出来。这需要设计出一种方法,以便计算机能容纳足够数量的昆比特来切实操作。而目前所建造的最大的量子计算机只有两个或三个昆比特。

然而量子计算机的真正潜力在哪里仍未能确知。巴雷特说:“量子计算机只擅长于特定任务,我们还不知道这些系统将来会用在什么地方。”

打开量子计算机大门——诺贝尔奖级成果:中科学家首次发现量子反常霍尔效应

由中国科学院物理研究所和清华大学物理系的科研人员组成的联合攻关团队,经过数年不懈探索和艰苦攻关,最近成功实现了“量子反常霍尔效应”。这是国际上该领域的一项重要科学突破,该物理效应从理论研究到实验观测的全过程,都是由我国科学家独立完成。

由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学、中科院物理所组成的团队从实验上首次观测到量子反常霍尔效应,在美国物理学家霍尔于1880年发现反常霍尔效应133年后终于实现了反常霍尔效应的量子化。这一研究成果已经发表在权威杂志《科学》上。

新发现的实用价值

量子反常霍尔效应的发现说明了中国在精密制造、材料制备、精密测量等方面的技术达到了世界顶尖水平。今后中国将有能力在更多的科技前沿项目上取得进步。

同时,这一效应在芯片制造领域将有重要应用价值,目前有许多传感器利用霍尔效应来工作。而中国科学家新发现则可以让霍尔效应在无强磁场的情况下也能发挥作用。这有望大大降低芯片发热量,进一步缩小芯片的体积,增强芯片性能。此外,这一效应也是制造量子计算机的基础,量子计算机的计算速度,储存能力等都将比现有计算机有巨大的提高。

冲击诺贝尔奖

1980年,德国科学家冯?克利青(Klaus von Klitzing)发现了“整数量子霍尔效应”,于1985年获得诺贝尔物理学奖。1982年,美籍华裔物理学家崔琦(Daniel CheeTsui)、美国物理学家施特默(Horst L. Stormer)等发现“分数量子霍尔效应”,不久由美国物理学家劳弗林(Rober B. Laughlin)给出理论解释,三人共同获得1998年诺贝尔物理学奖。

光控超导芯片获新突破 超速量子计算机有望问世

据国外媒体报道,美国加州圣芭芭拉大学(以下简称“UCSB”)的物理学家正对超导芯片进行光控制操纵,并为未来创造量子设备做好新的准备工作,其中就包括强大的超高速量子计算机。

据该研究的科学家Yi Yin称:“我们的研究对获得可控性量子设备十分重要,因为我们对超导芯片的光操控取得了前所未有的新突破。实验中,通过合并超导开关,我们从超导谐振腔中捕捉光子,并将其释放进去,通过控制开关,在光子通行的密封腔穴和道路之间打开或关闭通道。开关的速度必须足够快,这样它的转换时间才不会比腔穴中的光子寿命长。”

Yi Yin还解释道,他们不仅可以控制开关的状态,还可将其持连续不断地打开,就像百叶窗那样。通过这种方式,研究团队可将释放的光子塑造成不同的波形,这对科学家来说十分重要,因为他们下一步打算将光子在远距离腔穴之间移动。

研究人员Yu Chen称,这种发送并捕捉信息的方法对该研究至关重要。他说:“在光学上,人们设想从地球向卫星发送信息,再发送回来的情景,这是真正的远程量子通信。”

而另一名研究人员吉姆-温纳(Jim Wenner)称:“同样利用通信,这还将为在安全方式下的远距离信号传送提供方法。”(尚力)

量子光学学报:量子图灵机,量子计算机

作者:郭光灿 郭涛 郑轶
(中国科技大学物理系,合肥230026)
摘要 较系统地阐述了量子计算机的发展和现状,着重介绍经典可逆计算机、量子可逆计算机、量子图灵机、量子计算机的构造、应用,以及当前研究热点如量子纠错和消相干问题。关键词 量子图灵机,量子计算机,消相干,量子纠错码,量子受控非门中图法分类号 O431,TP381
0 引言
当前的计算机科学是建立在图灵机(TuringMachine)基础上的。图灵为了解决希尔伯特第二十三问题,引入了一个理想机器模型
[1][2]
。它由两个部分组成:(1)具有无限长存储单元
的记录带(Tape)。每个存储单元的内容用“0”或“1”表示;(2)一个具有内部状态并可在带上每次只能移动、读取、改写一个存储单元的阅读头(Head)。图灵机的操作每个周期有三个步骤:读/写/移动,即(1)读取当前位置上存储单元的内容;(2)根据Head的内部状态和读到的信息改变Head的状态,以及存储单元中的内容,并决定下一步移动的方向;(3)按照步骤(2)的方向,将Head移动一个存储单元。
图灵设计图灵机的目的在于证明,在一个自洽公理体系中,必有不能被判定的命题存在,从而否定了希尔伯特的猜想。但同时却为计算机科学奠定了基础。现在的电子计算机就是图灵机的现实近似。
图灵认为,图灵机的本能与其物质实现无关。但现实中,当存储单元小到原子大小时,微观尺度内的量子效应是否会影响图灵机的操作,或者能给它带来什么样的新特点呢?这个问题图灵未考虑过。现有经典计算已具有每秒上百亿次的计算速度,它是否仍可提高呢?随着计算机技术的飞跃发展,人们想知道计算机的运算速度有无上限。这一个问题也无法从图灵的理