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科学家设计出新型离子阱量子计算机:达到32量子位,4K低温下突破局限

2020-08-29 14:00 前瞻网   

最近,量子计算机领域迎来了一系列进展:前脚亚马逊宣布推出新型云量子计算服务Amazon Braket,后脚IBM就公告量子计算机达到量子体积64。国内,潘建伟团队也已经表示——今年预计实现60比特量子计算机。

而近日,来自美国杜克大学和马里兰大学的研究人员又破解一系列难题,并成功开发出了新型离子阱量子计算机,点燃了不少人对这一领域的期待!

科学家设计出新型离子阱量子计算机:达到32量子位,4K低温下突破局限

据悉,研究人员首次设计了一个在低温下工作的完全连接的32量子位追踪离子量子计算机(trapped-ion quantum computer)寄存器。这个新系统代表了开发实用量子计算机的重要一步。

来自杜克大学的Junki Kim将在9月14-17日举行的首届OSA量子2.0大会上展示这一新型离子阱量子计算机的硬件设计。

与传统的只能是0或1的计算机位元不同,量子计算机使用的是可以处于计算状态叠加的量子位元。这使得量子计算机能够解决传统计算机无法解决的复杂问题。

大型离子阱量子计算机是量子计算领域最有前途的技术热点之一,但要制造出具有足够量子位元的计算机来进行实际应用,一直是个挑战。比如背景分子碰撞会导致离子链破坏、驱动逻辑门的激光束不稳定,以及来自捕获电极会产生电场噪声……

“在与马里兰大学的合作中,我们已经设计并制造了几代完全可编程的离子阱量子计算机,”Kim说。“这一系统是最新的努力,其中许多挑战导致长期可靠性的解决。”

扩大量子计算机的规模

大型离子阱量子计算机将离子冷却到极低温度,使它们悬浮在超高真空的电磁场中,然后用精确的激光进行操作,以形成量子位元。

到目前为止,在大型离子阱系统实现高计算性能一直受到背景干扰离子链分子的碰撞,不稳定的激光束驱动逻辑门看到的离子,并从捕获电极电场噪音搅拌离子的运动通常用于创建纠缠。

在最新的研究实验中,Kim和他的同事们采用了全新的方法来应对这些挑战。离子被困在一个封闭循环低温恒温器内的局部超高真空外壳中,冷却到4K温度,振动极小。这种安排消除了由于与环境中残余分子的碰撞而引起的量子位链的扰动,并强烈地抑制了来自陷阱表面的异常加热。

为了获得干净的激光束轮廓并将误差降到最低,研究人员使用光子晶体光纤(photonic crystal fiber)连接拉曼光学系统(Raman optical system)的各个部分,该系统驱动量子比特门——量子电路的构建块。

此外,操作量子计算机所需的精密激光系统被设计成从光学台上取下并安装在仪器架上。激光束以单模光纤传输到系统中。他们采用了设计和实施光学系统的新方法,从根本上消除了机械和热不稳定性,为受困离子量子计算机创建了交钥匙激光器装置。

研究人员已经证明,该系统能够自动按需加载离子量子位链(ion qubit chains),并可以使用微波场(microwave fields)进行简单的量子位操作。该团队在实现纠缠门(entangling gates)方面取得了坚实的进展,以一种可以扩展到32个量子位元的方式。

在未来的工作中,该团队计划与计算机科学家和量子算法研究人员合作,将特定硬件的软件与量子计算硬件集成在一起。这个完全集成的系统由完全连接的捕获离子量子位和特定硬件的软件组成,将为实际的捕获离子量子计算机奠定基础。

这项研究是由杜克大学的肯尼斯·布朗(Kenneth Brown)领导的由多个机构组成的软件定制量子协同设计(STAQ)项目的一部分。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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