量子计算时代已来!
2018年7月26日

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我在瑞士洛桑联邦理工学院攻读硕士期间,第一次能够感受到亚原子粒子的不可思议。牛顿提出的经典定律在这里完全不适用,你需要用量子力学—— 一个完全不同的物理框架来理解这个奇妙的世界。这个世界里存在着各种奇妙现象,例如同时存在于多个状态的粒子,拥有穿墙而过的能力等。一位伟大的丹麦物理学家,Neils Bohr在20世纪20年代奠定了量子力学的基础,并且说道:

"只有被量子理论所震撼过,才能真正领悟其精髓!"

如今,科学家们不仅对量子世界有了更多的了解(注意:我没有说完全),而且也开始将量子的“奇妙魔力”运用于复杂计算中。

现在就让我们一起来看看它的影响力。现代计算机使用值为0或1的经典位。使用大量的位数和以及运用逻辑门控制可以实现所有经典计算。量子位允许其状态存在于0、1和0和1的状态,这些状态在技术上被称为叠加态。使用由量子位制成的量子门,可以创建叠加态并在这些状态中并行编码信息。为了理解这种并行编码信息能力的深刻含义和绝对力量,我们可以举一个实验例子:Casino___Playing_Cards-(2).jpg

桌子上有四张牌。其中三张是相同的红心K而另一张是Q。现在卡片被洗牌背面朝下放在桌子上,目标是找到那张Q,您或者是传统计算机要怎么做?基本流程是这样:翻开一张牌,如果不是,再翻开另一张。考虑到Q可以在第一次或第四次翻牌时被找到,通过简单的计算,你可以推断出平均需要翻2.5次才可以找到Q。相比之下,使用2进制量子位系统,可以一次找出Q!虽然这个实验可能听起来并没有突破性的成果进展,但让我们看看一个更复杂的问题,比如说分解一个129位长的大素数,这也恰巧构成了今天的在线加密协议的基本架构。传统计算机需要很长时间才能将这些数字计入其主要组件(密钥),这也是其被认为安全的原因。事实上,1600名互联网用户耗时8个月破解的RSA129,量子计算机可以在几秒钟内攻破!

互联网安全是个很有意思的话题,科学家们已经在研究其相关问题(如果您想了解更多,可阅读文章Quantum Key Distribution获取相关信息 https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_key_distribution),其影响将大多体现在药物开发,金融风险管理,AI,其中最重要的便是了解量子科学本身!正如Richard Feynman在其著名的加州理工学院讲座中指出的那样,我们需要量子实体来模拟量子物理学。

很好!那如何才能制作出这种规格的量子比特?

这就是挑战所在。量子系统的本质是变化无常的,即使是微小的干扰也会改变它的状态。在量子计算研究和技术发展的核心是在量子位中隔离和控制量子态,并在其坍缩成传统状态之前使其存在时间达到最大。现今有几种不同的技术在起作用:

1离子阱

由电场或激光束定位的离子或原子。这适用于少量的几个量子位,但是很难规模化,并且大量囚禁离子的初始化,控制和测量极具挑战性。

2核自旋量子比特

这里的信息被编码到核自旋状态。这可以通过在原子簇中进行掺杂来实现。由于其需要确定地制备耦合旋转态而难以规模化,但是这个方向已经有了一些进展。

3光子量子比特

光子的偏振可用于量子计算。传统上,这需要在受控环境中使用复杂的仪器技术,但硅光子学的研究进展有望释放这个方向的巨大的发展潜力。该技术的主要优点是其与凝聚态量子位相比,具有更低的随机噪声。

4超导量子比特

在超导材料中使用约瑟夫森结来产生相位,电荷或磁通量量子比特(如今要有利用其他物理量的报道),这就是目前量子计算研究最常用的量子比特形式。

5拓扑量子比特保护

这些是凝聚体材料版本的量子比特,目前仍处在早期研发阶段,这一方向使用材料的某些特性来保护亚原子粒子中的量子态。一些流行的方法涉及超导半导体结和拓扑绝缘体,以此建立并操控奇异且迷人的粒子,也称之为majorana fermions.

虽然量子计算技术仍处于发展的早期阶段,但其时代已经来到。在牛津仪器公司,我们正在研究几项技术,这些技术正在帮助推动这一令人惊叹而又强大的技术发展。在等离子技术方面,我们可以制造超导氮化铌等材料,用于制造磁通量子比特以及高灵敏度探测器。我们在芯片光子学,固态激光器和用于量子比特制造的低电介质介电材料的器件制造工艺方面也拥有大量专业知识。牛津仪器还通过提供低至毫开级别的低温环境(牛津仪器纳米科学部),以及极其高效的高灵敏度探测器来实现用于量子计算的光子路径。我们很乐意帮助您解决有关量子计算的问题, 如需了解更多详情,请发送邮件至China.info@oxinst.com, 或拨打热线400-678-0609垂询。

*本文节选自Ravi Sundaram博士博文

 

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