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聪明的布线结构使更大更好的量子计算机成为可

更新时间:2020-07-15 03:15点击:

聪明的布线结构使更大更好的量子计算机成为可

为可伸缩的量子计算开辟了一条新路径

去年,谷歌生产了一台53量子位的量子计算机,它执行特定运算的速度比世界上最快的超级计算机要快得多。像今天大多数最大的量子计算机一样,这个系统以拥有数十个量子比特而自豪,这些量子相当于比特,可以在传统计算机中编码信息。

为了制造更大、更有用的系统,今天的大多数原型都必须克服稳定性和可伸缩性方面的挑战。后者将需要增加信号和布线的密度,这在不降低系统稳定性的情况下是很难做到的。我相信,在过去三年中,由瑞肯超导量子电子学研究小组与其他研究所合作开发的一项新的电路设计,为在未来十年扩大到100或更多量子位元打开了大门。这里,我将讨论如何做到这一点。

聪明的布线结构使更大更好的量子计算机成为可

挑战一:可伸缩性

量子计算机利用基于量子力学原理的精细而复杂的相互作用来处理信息。为了进一步解释这一点,我们必须了解量子位。量子计算机是由单个量子位构成的,它类似于传统计算机中使用的二进制位。但是一个量子位需要保持一个非常脆弱的量子态,而不是一个比特的零或一个二进制态。量子位元不仅仅是0或1,它还可以处于一种被称为叠加的状态,即它们同时处于一种既为0又为1的状态。这使得基于量子位元的量子计算机可以并行处理每一种可能的逻辑状态(零或一)的数据,因此对于特定类型的问题,它们可以比基于位元的传统计算机执行更高效、更快的计算。

然而,创建一个量子位要比传统的位困难得多,而且需要对电路的量子力学行为进行全面控制。科学家们已经提出了一些可靠的方法。在理化学研究所,一个带有约瑟夫森结元素的超导电路被用来创造一个有用的量子力学效应。通过这种方式,量子比特现在可以用半导体工业中常用的纳米制造技术可靠地重复生产。

可伸缩性的挑战来自这样一个事实,即每个量子位元需要布线和连接,以产生最小串扰的控制和读出。当我们走过微小的2×2或4×4的量子位元阵列时,我们已经意识到相关的布线可以被密集地封装起来,因此我们必须创造更好的系统和制造方法,才能真正避免布线交叉。

在理研,我们利用自己的布线方案建立了一个4乘4的量子位元阵列,每个量子位元的连接垂直地从芯片背面连接,而不是单独的翻转芯片。其他组使用的接口,将接线垫带到量子芯片的边缘。这涉及到一些通过硅芯片的超导通孔密集阵列(电子连接)的精密制造,但它应该允许我们扩大到更大的设备。我们的团队正在朝着64量子位器件的方向努力,我们希望在未来三年内实现这一目标。在接下来的5年里,作为国家资助的研究项目的一部分,将会有一个100量子位的装置。这个平台最终将允许在单个芯片上集成多达1000个量子位元。

挑战二:稳定

量子计算机的另一个主要挑战是如何处理量子位元的内在脆弱性,以应对来自外部力量(如温度)的波动或噪声。为了使量子位元发挥作用,它需要保持在量子叠加或量子相干的状态。在超导量子位元的早期,我们可以让这种状态只持续纳秒。现在,通过将量子计算机冷却到低温,并创建几个其他的环境控制系统,我们可以将一致性保持到100微秒。平均来说,几百微秒就能让我们在失去一致性之前完成几千次信息处理操作。

理论上,我们可以处理不稳定性的一种方法是使用量子错误校正,我们利用几个物理量子位编码一个逻辑量子位,并应用错误校正协议,可以诊断和修复错误,以保护逻辑量子位。但实现这一点还有很长的路要走,原因有很多,其中最重要的是可伸缩性的问题。

量子电路

从20世纪90年代开始,那时量子计算还没有成为一件大事。刚开始的时候,我对我的团队是否能够创造和测量电路中的量子叠加态很感兴趣。在当时,电路作为一个整体是否能表现出量子力学性质还一点也不明显。为了在电路中实现稳定的量子位,并在电路中创建开关状态,该电路还需要能够支持叠加状态。

我们最终想出了使用超导电路的主意。超导态没有电阻和损耗,因此它是流线型的,以响应微小的量子力学效应。为了测试这个电路中,我们使用一个微型超导岛由铝制成,这是连接到一个大型超导地线通过约瑟夫森junction—结由纳米厚的绝缘barrier—我们被困超导电子对隧道结。由于铝岛很小,由于负电荷对之间的库仑封锁效应,它最多能容纳一个多余的铝对。岛上的零或一个过剩对的状态可以作为一个量子位的状态。量子力学隧穿维持了量子的相干性,并允许我们创建状态的叠加,这是完全由微波脉冲控制的。

混合动力系统

由于量子计算机非常脆弱的特性,它不太可能在不久的将来出现在人们的家中。然而,由于认识到以研究为导向的量子计算机的巨大好处,像谷歌和IBM这样的工业巨头,以及世界各地的许多初创公司和学术机构,都在加大对研究的投资。

一个具有完全纠错功能的商业量子计算平台可能还需要十多年的时间,但最先进的技术发展已经带来了新的科学和应用的可能性。更小尺度的量子电路已经在实验室中执行了有用的任务。

例如,我们将超导量子电路平台与其他量子力学系统结合使用。这种混合量子系统使我们能够以前所未有的灵敏度测量集体激发态下的单个量子反应,无论是磁中的电子自旋旋数,衬底中的晶格振动,还是电路中的电磁场。这些测量应该推进我们对量子物理的理解,并随之推进量子计算。我们的系统也足够灵敏,可以在不吸收或破坏的情况下,测量微波频率下的单个光子,它的能量比可见光光子低5个数量级。他们希望这将成为连接遥远的量子位模块的量子网络的基石。

量子网络

将超导量子计算机与光量子通信网络连接是我们的混合系统未来面临的另一个挑战。这一技术的开发是基于对未来量子互联网的展望,量子互联网通过光线连接,让人想起今天的互联网。然而,即使是一个通信波长的红外光光子也不能直接击中超导量子位元而不干扰量子信息,因此必须精心设计。我们目前正在研究混合量子系统,这种系统可以通过其他量子系统,比如一个包含微小声学振荡器的量子系统,将超导量子位的量子信号转换为红外光子,反之亦然。

尽管还有许多复杂的问题需要解决,但科学家们可以看到量子计算机的未来。事实上,量子科学每天都在我们手中。如果没有对半导体中的电子性质的正确理解,晶体管和激光二极管就永远不会被发明出来,而半导体的电子性质完全是基于对量子力学的理解。因此,通过智能手机和互联网,我们已经完全依赖量子力学,而且未来只会变得更加依赖。

参考文献


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