量子計算機的穩健運行

發布日期:2020年1月17日

可運行的量子計算機是量子技術最令人期待的前景應用之一。 隨著計算能力的顯著提高,量子計算機將能夠解決普通計算機無法處理的任務,比如理解和發明新材料或新藥物,以及測試密碼技術的局限性。為了降低錯誤率并更快地提供可靠操作,德國物理技術研究院(PTB)與漢諾威萊布尼茲大學的研究人員合作開發了一種基于捕獲離子的新方法。該項成果發表在最新一期的Physical Review Letters上。

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圖:用于捕獲離子的設備內部。右上角的特寫顯示了用于量子邏輯門的兩個單離子圖像

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與傳統計算機類似,術語“量子比特”或“量子位”是指量子信息中的基本單位。目前,實現它們最先進的方法是超導電路和捕獲離子。前者將量子信息存儲在電子組件中,后者將其存儲在單個原子的不同能級中。通過使用超導電路,研究人員最近成功地演示了量子計算機能夠執行常規計算機無法處理的任務。并且,與其他方法相比,離子在操作中產生的錯誤率大大降低。

在這一方法中,利用芯片結構上方的電場將離子在真空中捕獲。通過嵌入芯片結構中的特殊導體環路發送微波信號來實現量子位運算。通常,邏輯運算是通過精細控制激光束進行的。使用微波場的優點是易于控制且技術成熟,因為它們已經在飛機、手機等眾多產品中得到普遍應用。

研究人員研究了最有效的量子位運算方法,這也是與常規計算機芯片緊密相關的問題,因為每次操作所需的能量大小決定了芯片在過熱之前每秒可以處理的最大數量。在對離子阱微波量子計算機的研究中,在能量輸入相同且存在噪音的前提下。研究人員成功地證明了特殊形狀的微波脈沖(磁場平滑地打開和關閉)產生的錯誤率比磁場僅在打開和關閉情況下低100倍,為此,研究團隊在實驗中引入了額外的,經過小心控制的噪聲,并確定了不同注入噪聲水平以及兩種脈沖形狀的操作誤差。

研究人員證明了低錯誤率的基本操作是可行的,現在他們的目標是轉移到更復雜的任務上,希望在每萬次操作中出現的誤差小于一個。為此,研究人員開發了獲得專利的微加工技術,支撐芯片結構中大量的量子位存儲和操控。

該項目由德國研究基金會(DFG)和歐盟量子技術旗艦共同資助,為了將量子物理學的基礎研究成果轉化為技術,歐盟及其成員國計劃在未來十年內向相關領域投資10億歐元。

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原文版權歸德國物理技術研究院(PTB)所有,源自PTB網站