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冰冻的霓虹灯发明震撼了量子计算机竞赛

冰冻的霓虹灯发明震撼了量子计算机竞赛

分类:科技

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量子计算机理论上可以找到经典计算机无法解决的问题的答案,但它们依赖于臭名昭著的不稳定组件,即量子比特。现在的新发现表明,被困在冷冻固体氖上的电子可以证明是一种简单而强大的量子比特,可用于未来的量子计算机。


量子比特或量子比特依赖于量子物理学的奇异性质,这表明电子、原子和宇宙的其他组成部分可以以一种称为叠加的状态存在,在这种状态下它们基本上同时向两个相反的方向旋转,或者存在于同时在两个或多个地方。通过将许多量子比特叠加起来,理论上量子计算机可以同时执行数量惊人的计算。


亚马逊、谷歌、IBM 和许多其他公司正在竞相从各种量子比特平台(例如超导环、电磁俘获离子和硅内的自旋)创建实用的量子计算机。然而,所有的量子比特都非常容易受到外界干扰。


在这项新研究中,为了创造一个不受环境干扰的量子比特,科学家们对氖进行了实验,氖是一种像氦一样的惰性气体,几乎从不与其他元素发生反应,有可能使其成为量子比特的理想宿主。当冷却到大约负 248.6 摄氏度以下并达到超过 0.42 个大气压的压力时,氖会冻结成固体。


“惰性气体固体是自然界中最惰性和最纯净的固体,可以解决其他系统存在的许多问题,”该研究的首席研究员、伊利诺伊州莱蒙特阿贡国家实验室的量子物理学家金大飞说。


研究人员为他们的设计选择了一种最简单的量子比特——单电子。他们在微芯片上将霓虹灯冻结在绝对零以上百分之一度的温度下,然后使用一个微小的灯泡灯丝向其喷射电子。


“当你将电子带到氖表面附近时,氖原子中的电子会稍微重新排列并被电子排斥,因为类似的电荷会排斥,但由于氖是中性的,这种轻微的电子排斥会留下轻微的正电荷将电子吸引到表面,”该研究的共同资深作者、圣路易斯华盛顿大学的量子物理学家 Kater Murch 说。


然而,这个电子不能穿透氖的表面,因为氖的所有电子的能级都被填充了,“所以它被排斥在实际接触表面的过程中”。相反,这个电子停留在霓虹灯的顶部。


微芯片中的电极可以将被困在固体氖上的电子保持在原位两个多月。芯片上的超导微波谐振器,很像微波炉的微观版本,然后发射微波来帮助控制和读取量子比特。


科学家们认为,有用的量子比特需要三个关键品质:


它们可以显示出长时间的连贯性——也就是说,在很长一段时间内保持叠加——理想情况下超过一秒钟。


它们可以快速从一种状态切换到另一种状态,以帮助快速执行操作,理想情况下约为十亿分之一秒。


它们可以通过称为纠缠的量子力学现象扩大规模以与许多其他量子比特连接,因此它们可以并行工作。


该小组的实验表明,在优化过程中,新的量子比特已经可以在叠加状态下保持 220 纳秒,并在几纳秒内改变状态,这优于科学家们研究了 20 年的基于电荷的量子比特。


“这是一个全新的量子比特平台,”Jin 说。“它加入了现有的量子比特家族,具有很大的改进潜力,可以与目前知名的量子比特竞争。”


研究人员建议,通过开发基于电子自旋而不是电荷的量子比特,他们可以开发相干时间超过一秒的量子比特。他们增加了设备的相对简单性,使其易于以低成本制造。


新的量子位类似于以前的工作,从液氦上的电子创建量子位。然而,研究人员指出,冷冻氖比液氦更坚硬,它可以抑制可能破坏量子比特的表面振动。


这个新系统的可扩展性仍然不确定——它是否可以包含数百、数千或数百万个量子比特。“我不能说我有一个明确的答案,”金说。“这仍然是所有量子比特平台共同面临的问题。我们可能有一些方法可以做得比超导量子比特更好,并且接近于俘获离子。但在短期内实现数百个量子比特并不容易。”


未来,研究人员的目标不仅是开发基于电子自旋而不是电荷的量子位,而且还将两个量子位纠缠在一起,“因为这是迈向量子计算的关键一步”,以及“在同样的芯片,”金说。“如果我们只关注迄今为止其他量子比特平台的发展,没有直接的障碍。我们认为我们可以很快赶上。”


注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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