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通过瞬移电子「量子冰箱」实现对量子计算机的冷却

发布时间:2019-05-15 14:12 来源:未知 编辑:admin

  量子计算机注将给计算行业带来革命性变化,其程度不亚于上世纪五十年代晶体管的引入带来的变革。这是由于量子计算机采用量子比特代替传统比特进行根本上的计算方法革新。

  像手机或者笔记本这样的传统的计算机,是基于冯诺伊曼架构的,其基本的信息单元是比特,仅具有0和1两个状态。然而,一个量子比特不仅具有0、1两个状态,还可以同时处于0、1状态。

  这就类似说,一个开关同时处于开和关的状态,这虽然在日常生活中是毫无意义的,但量子世界就是这么颠覆我们的认识。这种颠覆就是由于量子态的叠加特性,也是量子系统的核心特性之一。如果我们可以利用好这一特性,那么我们就可以实现信息的并行处理。两个量子比特就可以实现对四个数值的操作,三个就可以对八个数值操作,可操作数与量子比特数目呈2的级数增长,而且,他们可以并行的处理这些信息。

  另一方面,对于传统计算机来说,这些操作需要顺序执行。因此,量子计算机可以比传统的计算机快上近十亿倍,量子计算机仅需要几秒钟,或者说,瞬间就能解决传统计算机需要耗时几年才能解出的问题!

  但是,尽管你之前可能听说过D-Wave,IBM或者谷歌这样的公司和他们的量子计算机产品,但目前为止并没有可实用的量子计算机。其原因是由于量子计算机对温度是非常敏感的而且容易产生错误。在真正的量子计算机诞生之前,还有各种各样的问题需要解决。

  这些问题都关乎电子的自旋。电子同时具有电荷和自旋两个属性。其中,电子自旋特性决定了原子是否可以产生磁场,也是自旋这个特性可被用来作为量子比特,其中0和1分别对应自旋朝上和自旋朝下。在叠加状态下,电子的自旋容易受到干扰而变的混乱,物理学家称之为退相干,这将导致量子比特信息的丢失,因此自旋相干性的保持在量子计算中非常重要。

  相干时间是度量自旋相干性的一个重要参数,受材料晶格震动和附近磁场的影响,相干时间将变短。

  一般来说,我们需要电子的自旋相干时间至少保持100ns以实现量子计算。实现长相干时间的一个有效的办法是降低原子温度。你可以看到将量子计算机冷却到绝对零度(-273.15摄氏度)的很多尝试。

  比如,D-Wave公司将其量子计算机冷却到20mK(-272.98摄氏度)这种仅高于绝对零度一点的温度。然而,为实现这一目标,D-Wave需要建立一个庞大的冷却系统,足够装的下整个量子计算机,如下图所示。

  然而,针对量子比特制冷的问题,Aalto大学的Mikko Mttnen和他的同事设计了一种新的解决办法——一种新型的量子冰箱。这种冰箱里用了量子隧穿效应,在这种效应里,具有波粒二象性的电子可以穿“墙”而过。

  具体来说,当电子具有足够的能量,它可以在某种条件下瞬间穿过障碍。在这个具体应用中,“墙”是一个两纳米厚的绝缘体,Mttnen和他的博士后Kuan Yen Tan先是赋予电子的不足以穿墙的能量。之后,为了获得穿墙的能量,电子需要从附近的量子比特——一个超导振荡器那里吸收能量,由此完成制冷。

  “我已经在这个小东西上花了五年的时间,现在它终于成了!” Tan高兴的说。

  通过调节外加电场,还可以开关量子冰箱或增强其制冷能力。“我们的冰箱使得量子系统保持有序”,Mttnen总结说。

  Mttnen现在希望把他们的工作应用到真实的量子比特中。他们还希望可以降低可制冷的最低温度。同时,他们还计划实现更快速的开关,开关的速度是量子冰箱的另一个非常重要的性能,因为每次计算之前量子比特都需要重置,量子冰箱的开关必须跟上这一速度。

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