通过微波信号进行测量的超级量子计算机
互联网 2022-11-28

IBM的3D超导量子比特装置,一个量子比特(长度大约在1毫米左右)悬浮在小型蓝宝石芯片的空腔中央。这个空腔由装置的两半闭合后形成,测量通过向连接器传递微波信号进行。空腔的宽度大约在1.5英寸(约合3.81 厘米)左右。对于单个量子比特演示来说,这个装置的尺寸似乎有点大。研究小组表示这一系统可以按比例放大,容纳数百或者数千个量子比特。

计算领域的革命:IBM量子计算机可进行百万项计算

一个硅芯片,容纳3个量子比特。这个芯片倒装在印刷线路板上,通过丝焊(8×4毫米)连接I/O。更大规模的量子比特和振荡电路集成可用于打造具有可升级性的系统。

据美国物理学家组织网报道,IBM研究院的科学家在提高量子计算装置性能方面取得重大进展。他们做到了在减少基本运算误差的同时保持量子比特的量子机械特性完整性,从而进一步加快研制全尺寸实用量子计算机的步伐。量子计算机利用物质的量子机械行为,计算能力超过目前的任何超级计算机。

计算领域的革命
借助于IBM实验室研发的一系列技术,科学家得以减少基本运算的误差,同时保持量子比特(量子计算中携带信息的基本单位)的量子机械特性完整性。 IBM采用了超导量子比特(利用已经得到验证的硅微细加工技术),能够在将来的某一天进行升级,生产数千或者数百万台量子比特计算装置。在2月27日至3 月2日于美国马萨诸塞州波士顿举行的美国物理学会年度会议上,IBM的研究人员将公布他们的最新研究成果。

量子比特的特性允许量子计算机一次进行数百万项计算,台式机通常只能进行最低限度的同步计算。250量子比特所包含的比特数超过宇宙内的原子数量。量子计算机能够利用这种特性进行敏感信息的加密和解密,进而对数据加密领域产生深远影响。IBM的科学家和研究小组负责人马赛厄斯-斯特芬表示:“我们进行的量子计算机研究绝不仅仅是一次引人注目的物理学实验。现在已到了我们利用量子学知识研发相关计算系统的时候了,这种系统能够将计算领域带到一个全新的疆界。”

IBM的研究小组致力于研发能够解决现实问题的量子计算系统。量子计算机的潜在应用包括搜索由非结构化信息构成的数据库,进行任务最优化和解决此前无法解答的数学问题。普通计算机所能理解的最基本信息单位是比特。比特就像是一个电灯,可以打开和关闭,1比特只有两个值,一个是“1”,另一个是 “0”。对于量子比特来说,它们的值除了可以是“1”或者“0”外,还可以让两个值同时存在。这种特性被称之为“迭加”,允许量子计算机一次进行数百万项计算。

消除量子脱散
在试图利用量子计算的运算能力过程中,科学家面临的一大挑战是控制或者消除量子脱散,也就是热量、电磁辐射和材料缺陷等干扰因子导致的计算误差。为了解决这个问题,科学家进行了多年实验,寻找减少误差以及延长量子比特保持机械特性时间的方式。如果能够在足够长的时间内保持机械特性,并且找到有效的纠错手段,量子计算机便可长时间进行复杂运算。

很多可靠系统都具有让科学家研制出功能齐备的量子计算机的能力。目光,IBM将目光聚焦超导量子比特,允许科学家快速过渡到升级和生产。最近,IBM对一个独特的三维超导量子比特装置进行了实验,实验在耶鲁大学启动。

研究人员利用一个3D量子比特延长量子比特保持量子态的时间——达到100微秒,是此前纪录的2到4倍。根据IBM的研究,科学家能够找到有效的纠错手段,进而可以将目光投向量子比特计算装置可升级性涉及的工程学问题。

在其他实验中,IBM的研究小组演示了一个更为传统的二维量子比特装置,执行一次2量子比特逻辑运算——“控制非”运算。这种运算是更大规模的量子计算系统的基本构成。实验结果显示,运算的成功率达到95%,部分归功于较长的相干时间,接近10微秒。这些数字是寻找有效纠错方案的重要数据,同时也有助于未来的多量子比特实验。

挑战虽多 前景乐观
研制一台具有实用价值的量子计算机面临很多科学和技术方面的挑战,不过,科学家正快速取得进展,因此前景非常乐观。

在研制量子比特计算装置过程中,IBM在核心装置的技术和性能方面取得一系列令人吃惊的成就,性能自2009年中期以来从最初的100倍提高到现在的1000倍,距离科学界确定的全尺寸量子计算机所需满足的最低要求已经非常接近。IBM表示,他们与量子计算研究领域的同行进行信息交换,从他们身上学到很多东西,同时也得到一些大学和工业合作伙伴的帮助,这对于他们的研究非常重要。
德国亚琛大学量子信息研究所的大卫-蒂维塞佐表示:“IBM研究小组进行的超导量子研究正不断取得进展,他们正朝着研制可靠可升级的量子计算机的道路稳步前进。他们研制的装置性能出色,已经让他们非常接近满足实用量子计算机最低要求的这一目标。他们的研究证明有效纠错和可靠的逻辑量子比特运算能够成为现实。”

由于IBM取得的研究突破,对超导量子比特和未来研制量子计算机的乐观情绪快速高涨。迄今为止,这一领域的大部分工作都旨在如何提高计算装置性能。现在,科学家也必须将目光聚焦系统集成,评估针对纠错的信息处理需求、I/O问题、可行性以及升级成本。

根据IBM的设想,一台具有实用性的量子计算系统包括一个与量子计算硬件相连的传统系统。为了让量子计算机能够具备与当前研制的最先进数字计算机同样的性能或者实现超越,必须借助于在通讯和封装技术领域取得的成果。

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