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量子计算机发展取得重大突破

日期:【2015-05-25】

 

图片说明:IBM芯片中的四个超导量子比特排列成正方形,首次实现同时检测两种类型的量子错误,并可扩展到更大的量子系统。图片来源:IBM Research

       IBM的科学家们日前公布了在实用量子计算机方面取得的两项重大进展。他们首次实现同时检测两种类型的量子错误,并且创造性地使用了量子比特正方形排列形式,同时验证了这种正方形量子比特结构是唯一能够扩展到更大尺寸的物理结构。

       摩尔定律(计算机芯片制造一直以来遵循的定律)的消亡是必然趋势,相比之下,量子计算机迎来了它的大好时代。量子计算机不管是在功能还是模拟运算上都将远远超越传统计算机。如果一个由50个量子比特组建成的量子计算机,当今世界前500名的超级计算机全部加起来,其功能都无法超越它。

      IBM的这一突破研究发表在2015年4月29日的Nature Communications上,研究声称首次实现同时检测两类量子错误(比特翻转和相位翻转),这两类错误会发生在任何真实存在的量子计算机中。在此之前,科学家们在同一时间只能解决一种类型的量子错误,无法同时解决两类错误,但这一难点(同时解决两类错误)正是实现量子纠错的关键一步,同时也是制造具备实用性和可靠性量子计算机的关键需求。

       IBM公司的新型复杂量子比特电路由四个超导量子比特组成,是约为四分之一英寸大小的正方形芯片,该结构可以实现同时对两类量子错误进行检测。不同于以往使用的线性排列方式(无法实现同时检测两种量子错误),IBM选择的正方形比特排列设计可以增加更多的量子比特从而为实现大规模量子系统提供可能。

     IBM公司高级副总裁兼研究部主任Arvind Krishna说道:“量子计算会是一种潜在的变革,它可能帮助我们解决今天看来不可能或不切实际的难题。一直以来,科学家已经对量子计算机的加密系统进行了长时间的研究,发现量子系统具备很好的潜在实用价值,它能解决在今天看来无法解决的物理和量子化学难题。同时它在材料与药物研发等领域也具有巨大潜力,开发出了新的应用领域。”

     例如,在进行物理学和化学研究时,量子计算可以使科学家不需进行昂贵的实验室实验并反复经理实验失败的情况下设计出新材料和新药物,并且效率更高。

图片说明:IBM的研究人员Jerry Chow正在进行量子计算实验,实验地点位于纽约市约克敦海茨的IBM托马斯Ÿ沃森研究中心。IBM致力于量子计算研究长达30多年。图片来源:Jon Simon/Feature Photo Service for IBM

      为适应大数据时代的到来,量子计算机能够快速处理更大规模的数据库和大规模存储多样化、非机构化的数据。这将改变人们的决策方式并助力研究人员跨行业取得重大发现。

      对科学家来说,掌握量子计算所面临的最大挑战之一就是掌控或移除量子退相干(由热、电磁辐射和材料缺陷引起的计算误差)。由于量子信息极易被破坏,所以对量子计算机来说量子错误的影响尤其严重。

     IBM公司量子计算团队管理人Jay Gambetta说道:“到目前为止,研究人员已经能够坚持比特翻转和相位翻转这两类量子错误,但两种检测无法同时进行。在此之前,这一领域使用的是线性排列方法,只能看着比特翻转错误提供着信息不完整的量子系统,而这一系统无法构成量子计算机。我们制造的由四个超导量子比特组成的正方形芯片不同于线性排列的芯片,该结构可以实现同时对两类量子错误进行检测,并可被扩展用于更大的量子系统中。”

 检测量子错误

     比特是构成计算机的灵魂。就像一束可以开启或关闭的光束一样,比特在同一时间只能有两个值中的一种:即“1”或“0”。然而,量子比特可以同时有效地表示1或0(叠加状态)。这种信号的叠加意义非凡,叠加属性使量子计算机能够在数以百计的可能性中选择正确的解决方案,性能远远超过传统计算机。

      叠加状态下发生的两类量子错误,一类叫做比特翻转(0错误地变现为1,反之亦然),之前得研究工作已经完成了量子比特对这类错误的检查。然而这对量子纠错来说还远远不够,因为还存在另一种量子错误——相位翻转(叠加态中0和1之间相位关系信号发生翻转)。为了量子计算能够正常进行,这两类错误必须能够被同时检测到。

      事实上量子信息非常脆弱,这是因为当信息进行交互和受到电磁辐射时会发生量子信息丢失。研究人员找到了一种可以更长时间保存信息的方法,即通过大量物理量子比特来进行信息传递。“Surface code”是量子比特传递量子信息时的一种特殊纠错方案,即只允许最为临近的位置交互来编码一个逻辑量子比特,从而确保该操作不出差错且足够稳定。

      IBM的研究小组使用了各种技术来测量两个独立的量子比特的状态。他们分别揭示了两个量子比特(编码/数据量子比特)存储的量子信息的相关情况。具体来说,一个量子比特用于验证是否比特翻转错误会出现在任一编码量子比特,同时检测另一个量子比特是否发生了相位翻转错误。确定编码量子比特之间的连接信息是进行量子纠错至关重要的一步,因为直接测量编码量子比特会破坏其中包含的信息。

      量子比特的设计和制造可以使用标准的硅制造技术,因此,IBM预期一旦少量超导量子比特能够进行稳定且重复地制造生产,并将错误率控制在较低范围,那么就再没有什么能阻挡量子比特发展的脚步了。

 

 

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