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国防科技大学重大进展:用光子制造量子计算机

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研究人员用硅芯片做出了两个量子比特的处理器。

国防科技大学重大进展:用光子制造量子计算机

硅让我们可以将数十亿个晶体管封装在单单一块芯片上,因而为我们带来了今天的计算机。有朝一日它可能还会带来功能强大得多的计算机,因为研究人员已展示了一种可操纵单个光子以制造量子光子处理器的的硅芯片。

中国国防科技大学的研究员强晓刚说:“我们做出了光子量子处理器,它可以制造和操纵用光子编码的两个量子比特,用于通用的双量子比特量子计算。”近日发表于《自然•量子学》9月期的一篇论文(https://www.nature.com/articles/s41566-018-0236-y)描述了这项研究成果,而强晓刚是这篇论文的第一作者。

国防科技大学重大进展:用光子制造量子计算机

量子计算基于量子力学的奇特规则,这让量子计算有望执行传统计算机设计永远都无法实现的运算,比如迅速破解密码或模拟大爆炸。量子计算机基于量子比特,它们就好比经典计算中的比特。但是与经典计算机中妇孺皆知的0和1不同,量子比特可以叠加,同时保持多个状态,因而大大扩展了计算能力。量子比特还可以纠缠,因此测量一个量子比特可提供另一个量子比特的状态方面的信息。

像IBM和谷歌这样的公司正在竭力开发有足够多的互连量子比特以执行强大运算的设备。但到目前为止,它们只做到了几十个量子比特。量子比特的主要竞争技术是冷却到接近绝对零度的超导线和陷俘离子(trapped ion,由激光固定其位置的原子)。这些技术的问题在于,随着系统中的量子比特数量不断增加,它们与外界交互的可能性随之加大,失去了量子状态(名为相干性),因而变得毫无用处。

强晓刚表示,但光子不会有这个问题。他与主要以英国布里斯托尔大学为研究基地的一队研究人员共同研制出了这种芯片。他说:“光子并不与周围环境交互,因而就不存在短暂的相干时间这个问题。”他表示,同样可以以超高的精度来操纵光子。当然,光子以光速来传输。除此之外,光子芯片可以充分利用计算机行业建立起来的整个基于硅的基础设施。

该芯片由许多干涉仪组成,干涉仪将光子分成不同的空间模式。每个模式都通过一个特定的波导来传输,因此一个波导中的一个光子代表1,而在另一个波导中它代表0。知道某一个光子沿哪条路径传输就能表明对应的纠缠光子在哪条路径上。

光子使用热光移相器来进行编码,热光移相器由电压控制。强晓刚说:“移相器的不同设置控制着光子在干涉仪中的传输行为,因而可实现不同的量子比特状态编码和不同的量子操作。”

为了将系统扩大到切实有用的规模,研究人员就得想办法在芯片上生成多得多的相同的纠缠光子。另外还面临这一技术挑战:在芯片上安装足够多的移相器、分光器及其他光学元件以处理所有这些光子。不过强晓刚表示,硅光子学已表明了它有能力将许多器件塞到狭小的空间并使它们都协同运行,同时做到高精度,“因此它实际上是实现终极的大规模光子量子处理器的实用方法。”

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文章出处:云头条

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