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钻石内构建的量子计算机

导读: 钻石中的杂质氮核会成为第一个比特,在第二个缺陷中,有一个电子,成为第二个量子比特。更准确地说,是每个亚原子粒子的“自旋”被用作量子比特。

  科学家制成钻石内的量子计算机,首次加入防止“去相干”机制,利用微波脉冲不断切换电子自旋方向。

  钻石恒久远,或者,至少,钻石的量子计算效果是这样。南加州大学(USC)的科学家组成的研究小组,制成一种钻石内的量子计算机,这是一个首创,可以防止“去相干”(decoherence),去相干是一种噪音,会妨碍计算机正常运行。

  演示表明,这种可行的固态量子计算机,不像早期的气态和液态系统,代表着量子计算的未来,因为它们很容易增加尺寸。目前的量子计算机通常是非常小的,虽然令人印象深刻,但是,还不能匹敌更大的传统计算机的速度。

  科学家们在钻石内制成一种量子计算机,这是一个首创。

  科学家们在钻石内制成一种量子计算机,这是一个首创。图像中的芯片尺寸是3mm×3mm,而在中心的钻石是1mm × 1毫米。

  来源:代尔夫特理工大学

  这一跨国研究小组包括南加州大学教授丹尼尔•莱达(Daniel Lidar)及南加州大学博士后研究员王志辉(Zhihui Wang),还有一些研究人员来自荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology),美国爱荷华州立大学(Iowa State University)和加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)。他们的研究成果发表在4月5日在《自然》杂志上,题为《去相干保护量子门用于混合固态自旋寄存器》(Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register)。

  这一研究小组的钻石量子计算机系统,具有两个量子位(称为“量子比特”),采用的是亚原子粒子。

  相对的传统计算机的比特,可以明确地编码为1或0,量子比特可以在同一时间编码为1和0。这一属性称为叠加,而且,量子态可以“隧穿”能障(energy barriers),因此,有朝一日会使量子计算机进行优化计算,速度远远超过传统电脑。

  就像所有的钻石一样,研究人员使用的钻石也有杂质,就是碳以外的东西。钻石中的杂质越多,制成首饰的吸引力就越小,因为它会使晶体外观不亮泽。

  然而,这个研究小组就是利用这些杂质本身。

  杂质氮核会成为第一个比特。在第二个缺陷中,有一个电子,成为第二个量子比特。更准确地说,是每个亚原子粒子的“自旋”被用作量子比特。

  电子比原子核小,运算速度更快,但也更不稳定,会更迅速地“去相干”。量子比特采用原子核,体积更大,更加稳定,但速度慢。

  “原子核有很长的退相干时间,达数毫秒。你可以认为这非常缓慢,”莱达说,他兼职于南加州大学维特比工程学院(USC Viterbi School of Engineering)和南加州大学东塞夫文学、艺术和科学学院(USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences)。

  量子门运行在相干环境。

  量子门运行在去相干环境,来源:代尔夫特理工大学

  虽然固态计算系统之前已经存在,但是这是首次加入去相干保护,利用微波脉冲不断切换电子自旋方向。

  莱达说,“这有点像时间旅行,”因为切换旋转方向,会在时间上反转矛盾的运动,量子比特会恢复初始位置。

  研究小组可以证明,他们的钻石封装系统确实能以量子方式运行,但要看它如何密切地符合“格罗夫算法”(Grover‘s algorithm)。

  这种算法不是新的,是洛夫•格罗弗(Lov Grover)1996年在贝尔实验室(Bell Labs)发明的,但它显示了量子计算的未来。

  测试是搜索无序数据库,类似于要求在电话簿中搜索名称,但要求你已经只知道电话号码。

  有时,第一次尝试你就会奇迹般地找到它,有时,你可能要翻遍整本书,才能找到它。如果你做了无数次的搜索,平均来说,你要找到名称,需要搜寻电话簿的一半。

  在数学上,这可以表示为,你找到正确的选择,需要进行X / 2次尝试,X是你需要搜索的总的选择数量。因此,总共有四个选择,你找到正确选择,平均需要尝试两个。

  量子计算机使用叠加属性,可以找到正确的选择,而且更迅速。它背后的数学很复杂,但在实际应用中,量子计算机搜索无序列表中的四个选择,第一次尝试就会找到正确的选择,每次都是这样。

  虽然并不完美,但是,这种新的计算机在95%的时间,第一次尝试就可找到正确选择,这足以证明,它是以量子方式运作。

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