研究人员证明"自旋量子比特"可以存储数据长达两毫秒 比之前的基准长100倍

来源:cnBeta | 2022-11-08 08:45:49

量子计算工程师为硅芯片的能设定了一个新标准。在量子计算的世界里,两毫秒,或千分之二秒,是一个非常长的时间段。在这些时间尺度上,一眨眼--十分之一秒--似乎都已经是永恒的。来自新南威尔士大学的研究人员现在有了新的突破,证明了"自旋量子比特",也就是量子计算机的基本信息单位,可以存储数据长达两毫秒。

这一成就比之前同一量子处理器中所谓的"相干时间"的基准要长100倍,相干时间是指量子比特在日益复杂的计算中可以被操纵的时间。

"更长的相干时间意味着你有更多的时间来存储你的量子信息--这正是你在进行量子操作时需要的,"博士生阿曼达-赛德豪斯女士说,她在理论量子计算方面的工作促成了这项成就。

"相干时间基本上是告诉你,在你失去你的量子比特中的所有信息之前,你可以在你想做的任何算法或序列中做多久的所有操作。"

量子计算中,你能保持运动的自旋越多,信息在计算过程中就越有可能得到保持。当自旋量子比特停止旋转时,计算就会崩溃,每个量子比特所代表的数值都会丢失。2016年,新南威尔士大学的量子工程师通过实验证实了扩展一致的概念。

让事情变得更加困难的是,未来的工作量子计算机如果要解决人类的一些最困难的问题,例如寻找有效的疫苗、模拟天气系统和预测气候变化的影响,就需要跟踪数百万个量子比特的值。

去年年底,新南威尔士大学的同一个团队解决了一个困扰工程师几十年的技术问题,即如何在不产生更多热量和干扰的情况下操纵数百万的量子比特。该研究小组没有增加数以千计的微小天线来用磁波控制数以百万计的电子,而是想出了一个办法,通过引入一种叫做介电谐振器的晶体,只用一根天线来控制芯片中的所有量子比特。他们在《科学进展》杂志上发表了这些发现。

这解决了空间、热量和噪音的问题,这些问题会随着越来越多的量子比特的上线而不可避免地增加,当量子比特不仅像传统的二进制计算机那样代表1或0,而且同时代表两者时,利用一种被称为量子叠加的现象,就可以进行令人费解的计算。

全局控制与个别控制

然而,这一概念验证的成就仍有一些挑战需要解决。首席研究员Ingvild Hansen女士与Seedhouse女士一起,在《物理评论B》、《物理评论A》和《应用物理评论》杂志上发表的一系列论文中解决了这些问题。

能够只用一根天线控制数百万个量子比特是一个很大的进步。但是,虽然一次控制数百万个量子比特是一个伟大的壮举,但工作中的量子计算机还需要对它们进行单独操纵。如果所有的自旋量子比特都以几乎相同的频率旋转,它们就会有相同的数值。我们如何才能单独控制它们,使它们在计算中代表不同的数值?

"首先我们从理论上表明,我们可以通过连续旋转量子比特来提高相干时间,"汉森女士说。"如果你想象一个马戏团的表演者旋转盘子,当它们还在旋转时,表演可以继续。以同样的方式,如果我们连续驱动量子比特,它们可以保持信息更长时间。我们表明,这种'穿衣'的量子比特的相干时间超过230微秒[2.3亿分之1秒]"。

在该团队表明相干时间可以用所谓的'穿衣'量子比特来延长后,下一个挑战是使协议更加稳健,并表明全局控制的电子也可以被单独控制,以便它们可以保持复杂计算所需的不同数值。

这是通过创建团队称之为"SMART"的量子比特协议来实现的--正弦波调制、始终旋转和定制。

他们没有让量子比特转圈,而是操纵它们像节拍器一样来回摇晃。然后,如果对任何一个量子比特单独施加一个电场--使其脱离共振--它就可以进入与它的邻居不同的节奏,但仍以同样的节奏运动。

"把它想象成两个荡秋千的孩子,他们几乎是同步前进和后退的,"赛德豪斯女士说。"如果我们给他们中的一个人推一把,我们可以让他们在相反的两端达到弧线的终点,所以当另一个人现在是1的时候,一个人可以是0。"其结果是,不仅可以在全局控制(磁力)的影响下单独(电子)控制一个量子比特,而且如前所述,相干时间大大延长,适合于量子计算。

"我们已经展示了一种简单而优雅的方式,可以同时控制所有的量子比特,而且还带有更好的能,"该团队的高级研究人员之一杨亨利博士说。"SMART协议将是全面量子计算机的一条潜在路径。"

该研究团队由新南威尔士大学分拆出来的公司Diraq的首席执行官和创始人Andrew Dzurak教授领导,该公司正在开发可以使用标准硅芯片制造的量子计算机处理器。

接下来的步骤

"汉森女士说:"我们的下一个目标是,在我们的实验论文中用一个量子位展示了我们的概念证明之后,用两个量子位的计算来证明它的有效

"在那之后,我们想表明我们也可以为少数几个量子比特做这件事,以表明该理论在实践中被证明。"

标签: 自旋量子比特 储存数据 芯片性能 量子计算

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