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澳大利亚新南威尔士大学的工程师团队已经展示了一个基于单个原子核的量子比特,预示着未来超级强大的量子计算机中的数据处理能力会有大幅度的提升。

技术先进 优势独特 硅量子计算机研发渐入佳境

www.2492777.com,量子比特是量子计算机的构建基础,在检索越来越庞大的数据库、破解现代加密术,以及模拟生物分子和药品等原子级系统时,能够提供巨大的优势。

量子计算机由于强大的计算潜能和由此获得的广泛用途而“引无数英雄竞折腰”。在这个群雄争霸的量子计算机战国时代,各路英豪各出奇招,提出了不同的量子计算机物理体系,比如采用囚禁离子、超导等,这些方法可谓“春兰秋菊,各有胜场”。

4月18日发表在《自然》杂志上的这项成果,描述了如何利用原子核的磁自旋来储存和读取信息,这让我们距离量子计算机又近了一步。

而另一种比较低调的方法——用硅制造量子计算机,随着材料科学和工程学领域的不断进步,逐渐获得很多科学家的青睐。据英国《自然》杂志近日报道,半导体巨头英特尔公司已经研制出了首台采用传统计算机硅芯片制造技术的量子计算机。业内人士认为,用硅制造量子计算机意味着可以利用成熟的大规模制造技术,更容易地制造商用设备。

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澳大利亚新南威尔士大学的科学家,在单个原子核的核自旋中“写入”了量子信息,然后再“读取”出来,准确率高达99.8%。从左到右依次是:科学教授安德鲁·德鲁拉克、博士研究生杰里德·普拉和助理教授安德里亚·莫雷洛。图片来源:新南威尔士大学

当然,也有不少专家指出,距离真正研制出实用的硅量子计算机,还需时日。

新南威尔士大学电子工程及通信学院的助理教授安德里亚·莫雷洛(Andrea Morello)说:“我们采用了磁共振技术来实时控制和读出单个原子核的自旋,这种技术通常都被应用在化学分析和MRI扫描上。”

目前,许多实验室已经开发出了量子计算机原型,但它们通常要在接近绝对零度的温度下工作。这场计算竞赛中的领跑者通常使用下列两种方法之一来编码量子位:利用被囚禁在势阱中的单离子,或利用在超导回路中振荡的电流。但这两种系统都需要精准控制:离子技术使用复杂的激光系统来读写每个量子位,超导量子位则必须各有一个装置来用无线电波控制它们。

磷原子核具有极其微弱的磁性,能够指向两个方向,要么向“上”,要么向“下”。在古怪的量子世界里,这个磁场能够同时处于这两种状态——这个特性被称为量子态叠加。

而硅技术的拥趸看到了使用半导体来编码量子位的巨大优势。比如,这样的量子位可以更简单地利用蚀刻在芯片上的微型电线来操控;另外,如果传统芯片的大规模制造技术可应用到量子领域,那么技术转化为商用产品将会变得更容易。

这两个方向等同于二进制代码中的“0”和“1”,现有的传统计算机中采用的就是这种二进制代码。在这项实验中,研究人员控制了原子核的方向,相当于往它的自旋中“写入”了一个值,然后又“读取”了出来——把这个原子核变成了一个能够行使功能的量子比特。

上海交通大学教授金贤敏对科技日报记者说:“采用硅晶体管开发量子位,还有一个原因在于,相对于超导材料,硅量子位的可靠性更高。谷歌研究员此前曾发布论文指出,目前所有的量子位都容易出错,因为它们使用的量子效应非常脆弱,即使对设备的噪音加以控制,也能在远不足一微秒的瞬间扰乱量子叠加。”

新南威尔士大学的科学教授安德鲁·德鲁拉克(Andrew Dzurak)说:“我们的读取准确率达到了99.8%,创下了固态器件中量子比特读取准确率的新记录。”德鲁拉克还是澳大利亚国家制造研究所的所长,实验中用到的设备就是在那里制造出来的。

现在,首台采用传统计算机硅芯片制造技术的量子计算机已由英特尔公司研制成功,并交付给了合作伙伴——位于荷兰代尔夫特理工大学的研究机构。英特尔的这台低调设备或许就像一朵羞答答的迎春花,昭示硅量子技术春天的到来。

这些科学家制造的核自旋量子比特的准确率,与当今世界上最好的量子比特不相上下——后者的基础是被电磁场囚禁在真空室内的单个原子。这种“离子阱”技术的突破,在2012年获得了诺贝尔物理学奖。

一些科学家也表示,在“硅路线”上看到了希望。澳大利亚新南威尔士大学米歇尔:西蒙斯的团队也在开发用硅制造量子计算机的方法。去年5月,西蒙斯创办了初创企业“硅量子计算”,澳大利亚政府提供了资金支持。

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