中文 英语

通用量子计算机的进展

可重复的结果和行为,但仍然有很多问题需要解决。

受欢迎程度

一场扩大量子计算规模的竞赛正在展开,把它从一个深奥的研究工具变成一种商业上可行的通用机器。

专用量子计算机已经问世好几年了。递波系统的优势专注于可作为量子系统进行建模的特定类别的问题。尽管如此,拥有通用量子计算机的最终目标仍然难以实现。

在2000年,一个开创性的当时在IBM工作的物理学家大卫·迪维森佐列出了实用量子计算机的标准。除其他外需求

  • 所关注的量子态必须是稳定的。也就是说,它必须有可能保留足够长的时间来进行实际的计算。
  • 使用的量子比特技术必须是可伸缩的。必须能够产生大量相同的量子位,并在它们之间传播信息。特别是,量子比特必须能够在保持其量子态叠加的同时进行远距离的相互作用。
  • 必须有一套操作来操纵量子态,而不把它坍缩到一个单一的测量值。
  • 必须有可能在计算开始时定义量子位元的初始状态,并在计算结束时测量结果。

然而,20多年过去了,实现所谓的divinczo标准的系统尚未出现。加州理工学院理论物理学教授约翰·普雷斯基尔说,描述作为“噪声中尺度量子(NISQ)技术——具有50到100个量子比特和有限纠错能力的系统”

Preskill称赞NISQ系统是重要的研究工具。它们可以模拟比传统数字计算机更复杂的量子系统,但这种设备的商业适用性尚不清楚。相反,量子计算的未来取决于一种通用的、基于门的、turing量子计算机。这样的系统首先需要有能力使大量相同的量子位元纠缠在一起,并保持足够长的一致性以进行计算。

理论上,量子叠加是一种结构,其中一个或多个量子粒子同时占据所有可能的状态,其概率分布由薛定谔方程的系统。测量系统迫使它取一个值,“坍缩”叠加。在量子计算中,这个结果就是我们想要的答案。


图1:量子计算机,箭头指向用于将信号传输到量子位的光纤。资料来源:国家标准

管理噪音和错误率
不幸的是,从量子态的角度来看,量子比特和周围系统之间的许多不同的相互作用充当“测量”。仔细控制的量子位态和周围物质的相对无序之间的相互作用还没有很好的理解。然而,很明显,电噪声和晶格振动,以及其他因素,可以减少相干时间。

噪声和相干时间之间的联系强加了一种折衷。Imec的量子和探索性计算主管Iuliana Radu解释说,一个系统的噪声容忍度取决于量子位元的两个状态之间的能量分离。低分离降低了初始化量子位所需的能量,但也降低了噪声容忍。出于这个原因,约瑟夫森结、硅自旋量子位和类似的设计都是在毫厘开尔文温度下工作的,刚好高于绝对零度。


图2:Imec的全硅量子位。来源:Imec

此外,理化研究所量子计算中心超导量子电路小组组长田内丰(Yutaka Tabuchi)表示,注意在今年夏天的超大规模集成电路技术研讨会上,量子比特没有电压阈值。数字晶体管由于需要超过晶体管的阈值电压才能启动,因此在一定程度上避免了噪声。然而,量子系统中的噪声并不需要为了改变计算结果而改变电子的自旋。

任何能提供适当量子态的系统,理论上都可以作为量子计算机的基础。然而在实践中,集成电路行业生产大量几乎相同的纳米级元件的能力使半导体量子点成为领先的竞争者。在今年的超大规模集成电路技术研讨会上,硅量子点尤其成为了几篇论文的焦点。硅之所以令人感兴趣,是因为它与最常见的同位素III-V半导体不同,28Si没有核自旋。在MRS Bulletin中,加州大学洛杉矶分校电子和计算机工程的兼职教授Mark Gyure和他的同事们解释原子核的自旋可以与受限电子的自旋相互作用,从而降低相干时间。29硅约占天然硅的4.7%,自旋为1/2。作为之前报道在美国,英特尔公司已经证明了同位素纯硅制造的量子位元的相干时间得到了改善。

在超大规模集成电路技术研讨会上,研究员N. I. Dumoulin Stuyck和Imec和KU Leuven的同事们证明了利用单电子晶体管结合单量子点和双量子点量子位进行电荷感应的量子位读出。他们的方法是使用电子自旋共振初始化量子位元,使用0.4特斯拉磁场实现相邻点之间可重复的隧道耦合,寿命可达580毫秒。他们的工作还值得注意的是,他们使用多晶硅门来最小化热膨胀失配,这是低温下的一个严重问题。

台湾国立阳明交通大学副教授王义祥及其同事解释定义量子点有两种方法。具有良好隔离特性的衬底,如完全耗尽的绝缘体硅片,可以使用光刻图案在量子阱之间形成物理屏障。这种强限制有助于降低噪声,但为单个量子位对齐电极是一项挑战。或者,自对准栅电极可以升高和降低每个量子点周围的隧穿势垒。这种方法需要很多电极,相对较弱的电子限制增加了噪声敏感性。该小组通过选择性氧化和SiGe柱的Ostwald熟化制备Ge量子点。因为硅的生长2在能量上相对于GeO有利吗2,可以调整原始SiGe柱中的锗含量以调整量子点的大小。

日本AIST研究所的研究员Shota Iizuka及其同事表示,当硅量子比特利用磁场来初始化和操纵电子自旋时,减小量子比特和初始化磁铁之间的间距会增加有效场解释. 在传统的积分中,磁铁位于量子位之上,这增加了两者之间的分离。此外,磁铁尺寸的变化导致量子比特行为的变化。他们使用了一种源自IC行业的自对准工艺,将纳米磁体埋在基板中,大大减少了光刻变化。首先,鳍形成过程确定了磁铁宽度。然后,一个SiO2沟槽蚀刻设置磁铁底部。最后,钴蚀刻确定了磁铁顶部。

纠错与带宽问题
不管具体的量子位设计是什么,错误校正可能是通用量子计算机的必要条件。如果——或者当——量子叠加因任何原因而丢失,系统需要能够恢复它。到目前为止,大多数错误修正方案都依赖于冗余,本质上是创造所需量子态的多个副本。每个逻辑量子位元都是由成百上千个物理量子位元组成的。拉杜说,一般来说,错误率越高,需要的物理量子位就越多,以确保结果的准确性。低错误率是大型算法的必要条件。

所需设备的巨大数量,加上低温操作的需求,带来了重大的实施挑战。例如,在div燃烧佐标准下,必须能够独立初始化和读取每个量子位。如果系统的控制电子设备位于冷却器之外,那么在控制电子设备和量子位元之间可能需要数千根电线。这种方法面临的障碍包括信号强度下降、串扰以及将数千根屏蔽线布线到一个毫微米的elvin冰箱中的物理困难。

理研的Tabuchi说,在数字电路中,信号“级联”:一个门的输出可以作为下一个门的输入。只要驱动电流足够,信号的完整性相对独立于导线长度。相比之下,量子电路具有模拟输入/输出和模拟控制电压,导致长距离信号丢失。类似地,电压阈值的存在减轻了数字电路中控制线之间串扰的影响。在量子电路中,哪怕只有1%的串扰也很重要。

一个潜在的解决方案是光纤。它支持巨大的带宽,不受温度影响,还能容纳高频信号。国家标准与技术研究所(NIST)的研究科学家Florent Lecocq和他的同事们说证明了超导量子比特的光学控制。或者,RIKEN小组在将信号发送到环境温度世界之前,通过在量子位级别实施错误校正来寻求降低带宽要求。他们的方法基于对称性,将相同的信号应用于对称相关的超导量子位。

结论
总的来说,量子计算的前景是喜忧参半的。在迪芬佐的论文发表20年后,关于潜在量子计算机结构的基本问题仍然没有得到解答。正如Imec的拉杜所指出的,目前还没有一种量子电池可以与硅的标准电池相媲美。器件和材料在低温下的特性仍然知之甚少。

另一方面,研究人员正在使用类似硅的过程来制造具有可重复的、明确定义行为的设备。我们还没有量子微处理器,但我们可能已经开始组装组件了。

参考文献
https://arxiv.org/pdf/quant-ph/0002077.pdf
https://arxiv.org/pdf/1801.00862.pdf
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508652
https://link.springer.com/content/pdf/10.1557/s43577-021-00140-1.pdf
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508663
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508660
https://ieeexplore.ieee.org/document/9508735
https://arxiv.org/pdf/2009.01167.pdf

有关的故事
量子计算知识中心
伟大的量子计算竞赛
通往量子计算的漫漫长路



留下一个回复


(注意:此名称将公开显示)

Baidu