月度归档:2014年04月

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》)

科学家研制量子电脑 打造无法被攻克密码

一组研制量子计算机的科学家取得一项重大突破,只利用两个光子便形成103个维度的纠缠态,打破11个维度这一此前纪录。这项研究突破可帮助打造运算速度超快的电脑以及无法被攻克的密码。科学家开玩笑地说他们的研究突破能够让“薛定谔之猫”拥有存活、死亡或者其他101种状态。目前,美国国家安全局也在研制量子计算机,试图攻克密码系统。

科学家研制量子电脑 打造无法被攻克密码

光子等基本粒子的形态拥有超出常识的特性,例如叠加以及一次出现在两个地方。这也就意味着量子计算机一次可进行多种运算,大幅提高通行处理多项任务时的效率。当两个量子纠缠在一起时,测量其中一个粒子的状态——处在一个地方或者另一个地方,以一种方式或者另一种方式旋转——会立即影响另一个粒子的状态,不管二者相隔多远。科学家用了多年时间将两种特性结合在一起,在一种叠加状态下形成纠缠粒子网络。这一成就意味着科学家可以研制运算速度超过想象的量子计算机,对信息进行超安全加密,进行无法在其他条件下进行的量子机械学实验。

研究小组由奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的马里奥·克莱姆领导,成员包括阿拉巴马伯明翰大学量子信息与量子现象研究小组的马库斯·胡伯以及巴塞罗那光子科学研究所的研究人员。在改进纠缠量子系统方面,这支研究小组取得重大突破。

我国光学量子计算和量子保密通讯研究“前沿阵地”探秘

量子比特”“量子纠缠”“拓扑量子纠错”……随着量子计算研究不断深入,一个个拗口生僻的专业词语频繁出现在大众传媒上。量子计算离我们有多远?它的未来到底什么样?中国在这个领域处于什么地位?带着许许多多问题,记者走进我国光学量子计算和量子保密通讯研究的“前沿阵地”——中国科大微尺度物质科学国家实验室。

我国光学量子计算和量子保密通讯研究“前沿阵地”探秘

  中国科大微尺度物质科学国家实验室的科学家们通过实验成功制备出国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和可以直接用于量子计算的簇态,刷新光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录。资料照片

  “这个成果,形象说明了这是一个你追我赶的领域。”与科学家的对话,始于光明日报4月1日的奥地利科学院量子光学和量子信息研究所领导的国际研究小组成功使两个光量子的纠缠态达到103维的报道。作为光学量子计算领域的前沿学者,中国科大微尺度物质科学国家实验室教授陆朝阳介绍,量子纠缠是量子信息技术中的核心“资源”,多粒子高维纠缠态研究则是竞争最为激烈的领域。陆朝阳评价,奥地利小组实现了由两个光子103维的轨道角动量形成的纠缠态,所蕴含的信息空间达到10609维,在信息维度上,创立了一个新的世界纪录。

  “300个纠缠光子的存储能力将超过宇宙所有粒子的总和。”陆朝阳教授用这样的“换算”说明科学家高度重视量子纠缠研究的原因,也证明了未来量子计算机的发展前途不可限量的观点。陆朝阳介绍,2000年,美国国家标准局在离子阱体系上首先实现四离子的纠缠态。2004年,中国科大微尺度物质科学国家实验室潘建伟小组打破这一纪录,在国际上首次成功实现对五粒子纠缠的操纵。2007年,潘建伟小组又率先突破六光子纠缠。2012年,潘建伟小组再次刷新纪录,在世界上首次实现八光子纠缠。即使到目前,在光子数操纵战略高度,潘建伟小组依然遥遥领先于国际上的其他小组。

  陆朝阳告诉记者,作为中国光学量子计算研究的代表,潘建伟团队是国际上最早开始光量子计算机研究并最卓有成效的几个先驱小组之一。十年来,潘建伟团队实现了量子纠错所需要的最少量子比特数目、可预报光子控制非门操作、量子比特的概率性远程克隆、光量子计算机实现大数分解量子肖尔算法、量子容失编码、量子模拟任意子的分数统计、可容错光子逻辑门、非簇态的单向量子计算、拓扑量子纠错、线性方程组量子算法等“国际首次”。英国《新科学家》杂志在“中国崛起”特刊中评论:“中国科学技术大学——因而也是整个中国——已经牢牢地在量子计算的世界地图上占据了一席之地”。

  “我们计划未来十年左右的时间可以演示超越现在所使用的四核笔记本电脑的计算能力。”陆朝阳告诉记者,在教育部2011计划、中科院卓越中心、自然基金委、科技部的支持下,中国科学家的下一个目标,是实现十光子的纠缠和六光子十八比特的超纠缠,计划实现最高262144维量子态。利用量子点已经产生了国际上最高品质的确定性单光子源,在未来十年左右时间实现20~30个光子的操纵。同时,正在积极布局三个最有应用前景的战略领域:基于超冷原子和分子的量子模拟技术,基于光晶格的量子计算,以及基于超导线路量子比特的固态量子计算机。“我们希望通过不懈的努力,努力实现在量子计算领域达到从‘部分领先’到‘全面领先’的跨越!”陆朝阳表示道。

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  人类历史上第一台真正意义上的电子计算机诞生于1946年,从20世纪70年代开始大规模使用。作为20世纪最先进的科学技术发明之一,它对人类的生产和社会活动产生了极其重要的影响,并以强大的生命力飞速发展。

  普通计算机的最基本的数据单元是比特,通过比特处于0或者1表示的开关状态,实现运算。经过从电子管、晶体管到大规模集成电路的发展,现在计算机已经拥有了异常强大的计算能力。但即便如此,仍然有药物设计、大数据分析、新材料研究、气象预报等许多计算任务无法快速完成。因此,克服这些挑战驱使我们去研制全新工作原理的计算机器。

  微观世界的量子力学原理为人类提供了一个可能的全新计算模式——量子计算机。量子计算机中的对应的单元是量子比特,在一个时间里,量子比特可以同时处于0和1的叠加态。这就提供了非常巨大的存储空间和逻辑并行能力,使超越经典计算机成为可能。

  随着量子计算研究的不断深入,量子计算机的前景不可限量。当量子计算机应用之时,现在的密码破译、天气预报、科学研究等等难题,便可以迎刃而解。

量子计算机研究取得突破

据美国《每日科学》网报道,一个由奥地利科学院量子光学和量子信息研究所领导的国际研究小组在开发量子计算机方面取得重大进展,成功使两个光量子的纠缠态达到创纪录的103维,大大超越了此前11维的微观粒子纠缠态。该研究成果对于量子计算机的研制和超级加密算法的实现具有重大意义。
  量子计算机是一种各国争相研制的新型运算工具,拥有强大的并行处理数据的能力,可解决现有计算机难以处理的复杂问题。量子计算机与现有的电子计算机的根本区别在于,其信息单元不是比特(用0或1分别表示两个状态),而是量子比特,即0和1两个状态的相应量子态叠加。这意味着量子计算机的信息单元存在远高于2维的“量子纠缠态”,其完成单项任务的速度也就大大快于普通的电子计算机。
  为提高量子计算机的运算速度和处理能力,科学家们此前把主要精力放在了增加处于纠缠态粒子的数量上,并成功使14个粒子获得量子比特。不过,多粒子量子比特组成的庞大系统很难控制,量子计算机的研究进展十分缓慢。
  此次科学家们另辟蹊径,减少了处于纠缠态的粒子数量,增加了量子纠缠态的维数,将两个光量子的纠缠态推高到103维,而这种高维数量子纠缠态为量子信息技术的应用提供了广阔的前景。
  相关研究成果已发表在最新一期的美国《国家科学院学报》上,参与该项研究的其他学术机构还有美国的阿拉巴马大学伯明翰分校、西班牙的巴塞罗那自治大学和位于巴塞罗那郊区的光量子科学研究所。

物理学家创造出103维粒子有助研制超高速彻底加密计算机

研究人员在开发运算速度比现有系统快得多的量子计算机方面取得了重大进展。

一个研究小组称,他们创造出了一对103维的粒子。这一试验打破了此前11维的纪录,同时意味着量子计算机朝普及的目标又迈出了一步。

目前的量子计算机芯片是这样的:与普通计算机中在任一时刻只能保持开或关的状态的“比特”不同,量子比特还能在这些开关点之间维持“混合状态”。这就意味着,像D-Wave那样的量子计算机完成单项任务的速度要比普通计算机快得多,而且还能更高效地同时执行多项任务。而此次的最新突破还能使它们更加强大。

量子纠缠是一种物理现象,当成对或成群的粒子形成或相互作用时,每个粒子的量子状态无法独立描述,只能对这一个整体的量子状态进行描述。这样就产生了叠加,比如同时处于两个地方的可能性,而这种概念是与直觉常识相违背的。

举例来说,这样就使量子计算机能同时更高效也更快地处理多项任务。

此外,当两个粒子纠缠时就产生了一种联系:测量一个粒子的状态会即刻影响到另一个粒子的状态,不管它们相隔多远。

多年来,科学家一直试图结合这两种特性,来建立处于叠加状态的纠缠粒子网。

这样所制造出的量子计算机能以无法想象的高速运转,在彻底安全的情况下对信息加密,并进行其他情况下无法进行的量子力学实验。

此前,为提高这类粒子系统的“计算”能力,科学家主要把精力放在增加纠缠粒子的数量上,其中每个粒子都处于叠加的二维状态:量子比特。

用这种方法,科学家已成功使14个粒子纠缠,考虑到试验的难度,这个数量是比较可信的。

此次的研究小组是由奥地利科学院量子光学和量子信息研究所的安东·蔡林格和马里奥·克伦牵头的。参与研究的还有美国亚拉巴马大学伯明翰分校物理系的马库斯·休伯。

这个研究小组在改进纠缠量子系统上又取得了新的进展。在本周发表于美国《国家科学院学报》月刊上的文章中,科学家报告了他们是怎样用两个粒子实现了至少103维的量子纠缠的。

“我们有两只薛定谔的猫(“薛定谔的猫”是关于量子理论的一个理想实验),它们可以同时处于生、死或其他101种状态,”休伯开玩笑说,“它们的纠缠使得一只的状态会立即影响到另一只。”

这一结果意味着用两个粒子创下了多维量子纠缠的纪录,此前的纪录是11维。

“这种高维量子纠缠为量子信息应用提供了广阔前景。比如,在密码学中,我们的方法能在有噪音和干扰的真实环境下保障信息的安全。此外,这一发现能推动量子计算机的实验性发展,因为这是用少量粒子获得高维纠缠的更简便方法,”休伯解释说。