可编程离子为量子计算机发展打下了基础

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  • 2020-01-22

  大规模的,通用的量子设备是一个充满技术挑战的问题。到目前为止,许多研究小组创建了很多小的但具有功能的量子。通过结合少数几个原子,电子或超导结,研究人员现在能够经常展示量子效应和运行简单的量子算法——致力于解决特定的问题的小程序。

  但这些实验室设备往往只能固定运行一个程序或量子成分之间相互作用的有限的固定模式。制造一个可以运行任意算法的量子计算机需要正确的物理系统和一套编程工具。被附近电极的电场限制住的原子性离子是满足这些需求的最有前途的平台之一。

  在8月4日出版的《自然》杂志的一篇封面文章中,与马里兰大学联合量子研究所(JQI)和量子信息和计算机科学联合中心成员Christopher Monroe一起合作的研究人员提出了第一个完全可编程和可重新配置的量子计算机模块。这个新的装置,因为其具有与自身的复制品相连接的潜力所以被称为一个模块,其利用离子阱所提供的独特性质来在五个量子比特(或称为qubit——量子计算机中的基本信息单位)上运行任何算法。

  “对于任何一台有用的计算机来说,用户不应该需要知道内部是什么,”Monroe说。“很少有人关心他们的苹果手机在物理层面上实际在做什么。我们的实验将高品质的量子比特带到了更高层次的功能性,让它们可以在软件里进行编程和重新配置。”

  该新模块是建立在几十年来关于捕获和控制离子的研究基础上的。其使用标准的技术,但也引进了新的控制和测量方法。这包括使用一个紧密聚焦的激光束阵列来一次性操纵多个离子,以及提供用于观察每个离子的辉光的检测通道。★△◁◁▽▼“这些类型的发现就是国家自然科学基金会物理学前沿中心计划想要支持的,”美国国家科学基金会的物理学分部主任Jean Cottam Allen说。“这项工作处在量子计算的前沿,它有助于奠定基础,并使实用量子计算更接近现实。”

  该团队用三个已知可以被量子计算机迅速求解的问题的小型实例来测试了他们的模块。口▲=○▼具有用不同的问题来测试模块的灵活性是一个重大的进步,Shantanu Debnath说,他是联合量子研究所的研究生以及本论文的第一作者。“通过直接连接任何量子比特对,我们可以重新配置系统来实现任何算法,”Debnath说。“虽然这只是五个量子比特,但是我们知道如何将同样的方法运用到更大的集合中去。”

  尽管在该模块的内部还是有一些东西不是量子的:一个着驱动量子逻辑门——量子算法的基本单元——的激光脉冲的最佳形状。这些形状是用普通计算机提前计算好的,然后该模块用软件来将算法翻译成数据库中的脉冲。每一个量子算法由三个基本成分组成。首先,量子比特被预设在一个特定的状态;然后,他们经过一系列的量子逻辑门;最后,量子测量提取出算法的输出结果。

  该模块使用不同颜色的激光来执行这些任务。◇•■★▼一种颜色的光使用一种被称为光泵浦的技术来准备离子,在这个过程中每个量子比特会被照射直到其处于合适的量子能态。在过程结束时这个相同的激光还会帮助读出每个原子性离子的量子态。在这之间,另一个单独的激光会轰击离子以驱动量子逻辑门。

  这些逻辑门就像是使普通计算机能够工作的开关晶体管。在这里,激光推动离子并将其内部量子比特的信息耦合到它们的运动中,从而使模块中的任何两个离子能够通过其强大的电斥力进行相互作用。整个链上的两个离子通过这种相互作用来互相通知对方,就像在“牛顿摆”中抬起和释放其中一个球能够将能量转移到另一边去。

  激光束的可重新配置性是一个关键的优势,Debnath说。“通过将算法简化为一系列推动相应的离子的激光脉冲,我们可以从外部重新配置这些量子比特之间的线路,”他说。“这变成了一个软件问题,其他的量子计算架构没有这种灵活性。”

  为了测试这个模块,该团队运行了三个不同的量子算法,包括演示量子傅里叶变换(QFT),其会找出一个给定的数学函数重复的次数有多频繁。这是Shor量子分解算法的一个关键部分,如果其运行在一个足够大的量子计算机上的话,•●将会破解一些目前在互联网上最广泛使用的安全标准。

  其中两个算法成功运行了超过90%的时间,而量子傅里叶变换突破了70%的成功率。该研究团队说,这是由于脉冲整形逻辑门的残余误差以及计算过程中累积的系统误差造成的,这两个误差在根本上都不是无法逾越。他们指出,量子傅里叶变换算法需要所有可能的量子比特对逻辑门,其应该是最复杂的量子计算之一。

  该研究团队认为,最终更多的比特——也许多达100个——可以添加到他们的量子计算机模块中。将单独的模块链接在一起也是可能的,无论是通过物理上移动离子还是通过使用光子来在它们之间携带信息。★◇▽▼•

  虽然该模块只有五个量子比特,但是其灵活性使得其能够编写以前从来没有运行过的量子算法,Debnath说。这些研究人员目前正在研究在一个模块上运行具有更多量子比特的算法,包括作为由美国情报先进研究计划(Intelligence Advanced Research Projects Activity,IARPA)资助的一个项目的一部分的量子纠错例程示范。

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