量子计算:一致性与控制

释放双眼,带上耳机,听听看~!

如果您正在构建一台量子计算机,其目的是使用当今的传统技术进行计算甚至无法想象,那么您需要付出艰辛的努力。例证:您正在深入研究与新颖复杂系统的基础工作以及尖端技术相关的新问题和情况。

对于加州大学圣塔芭芭拉分校和谷歌公司的马提尼斯集团的科学家来说,这就是生活,因为他们探索了令人兴奋但又有点反直觉的量子计算世界。在“自然物理学”杂志上发表的一篇论文中,他们和新奥尔良杜兰大学的同事展示了一个相对简单但完整的量子处理平台,整合了三个超导量子比特的控制。

“我们正在探索我们能力的优势,”该报的主要作者Pedram Roushan说道。他解释说,在构建和研究量子处理器的各个部分方面已经做了不少努力,但是这个特殊的项目涉及将它们放在一个基本的构建块中,这个构建块可以完全控制并可能扩展到功能量子计算机中。

然而,在一个完全可行的量子计算机 – 具有其巨大,快速和同时计算的所有潜力 – 之前,可以制造出各种各样的,有时不可预测的和自发的情况,这些情况必须被理解为研究人员追求对其系统的更大控制和复杂性。

“你正在处理粒子 – 在这种情况下是量子比特 – 它们彼此相互作用,它们与外场相互作用,”Roushan说。“这一切都导致了非常复杂的物理学。”

他解释说,为了帮助解决这个特殊的多体问题,他们完全可控的量子处理系统必须从单个量子比特开始构建,以便让研究人员有机会更清楚地了解可能发生的状态,行为和相互作用。

通过设计用于操纵系统中光子自旋的脉冲序列,研究人员创建了一个人工磁场,影响其三个量子比特的闭环,使光子不仅相互强烈地相互作用,而且与伪 – 磁场。不是一个小壮举。

“当然,大多数控制良好的系统都是光子系统,”共同作者查尔斯尼尔说。他解释说,与电子不同,无电荷光子通常不会相互作用,也不会与外部磁场相互作用。“在这篇文章中,我们展示了我们可以非常强烈地让它们相互作用,并且非常强烈地与磁场相互作用,这是你需要做的两件事,让他们用光子做有趣的物理学,”尼尔说。 。

这种合成凝聚态物质系统的另一个优点是能够将其驱动到其最低能量状态 – 称为基态 – 以探测其性质。

但随着更多的控制,可能会产生更多的退相干。随着研究人员努力提高可编程性以及影响和读取量子比特的能力,他们的系统可能会出现错误和信息丢失的问题。

“我们对量子系统的控制越多,我们能够运行的算法越复杂,”共同作者Anthony Megrant说。“但是,每次我们添加一条控制线时,我们也会引入一个新的退相干源。”在单个量子比特的水平上,研究人员解释说,可以容忍一小部分误差,但即使相对较小量子位数增加,误差的可能性成倍增加。

“这些修正本质上是量子力学的,然后它们开始在我们所处的精度水平上起作用,”尼尔说。

为了在提高控制水平的同时消除错误的可能性,团队不得不重新考虑其电路架构和其中使用的材料。研究人员重新设计了电路,使控制线通过自支撑金属“桥”“交叉”,而不是传统的单层平面布局。电介质 – 导电控制线之间的绝缘材料 – 本身被发现是错误的主要来源。

“我们所知道的所有沉积的电介质都是非常有损耗的,”Megrant说道,因此引入了更精确制造且缺陷更少的基板,以最大限度地减少退相干的可能性。

研究人员表示,研究人员继续探索量子系统的真正潜力,进步是渐进的,但却是可靠的。再加上那种精致的舞蹈速度,这对于他们想要在完全可操作的量子计算机中看到的那种性能至关重要。慢速减少了控制误差,但使系统更容易受到材料强加的相干限制和缺陷的影响。他们说,快速的速度可以避免材料中缺陷的影响,但会降低操作员对系统的控制量。

然而,通过这个平台,扩大规模将成为不太遥远的未来,他们说。

“如果我们可以非常精确地控制这些系统 – 可能达到30比特左右的水平 – 我们可以达到传统计算机无法做到的计算水平,”Roushan说。

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