量子计算机如何迎来金色的计算能力

3 d处理器的概念

解释:量子工程

量子计算机可能会迎来计算能力的黄金时代,解决当今机器上难以解决的问题。

自20世纪40年代以来,经典计算机在突破速度下得到了改善。今天,您可以从半个世纪前从最先进的房间大小的计算机购买带有更多计算能力的手表。这些进步通常通过电气工程师的时尚晶体管和电路的能力来,并将它们包装在一起。

但是,缩小化将最终击中物理限制 - 随着计算机电子设备接近原子水平,在不影响邻近的情况下,将无法控制各个组件。经典计算机无法使用传统的缩放无限期地改善。

量子计算,一个想法在20世纪80年代催生,有一天可以将警棍携带到强大的高速计算的新时代。该方法使用量子力学现象来运行复杂的计算对于古典计算机来说是不可行的。理论上,量子计算可以在几分钟内解决几分钟内的问题。已经,谷歌已经证明了量子计算能力优于世界上最好的超级计算机的某些任务。

但它仍然是早期的日期 - 量子计算必须清除许多科学和工程障碍,然后可以可靠地解决实际问题。超过100名研究人员麻省理工学院正在帮助开发必要的基本技术,必要的量子计算并将其潜力变为现实。

麻省理工学院量子工程

:麻省理工学院计算机工程师正在努力使量子计算承诺现实。信用:何塞 - 路易斯奥利维拉斯,麻省理工学院

什么是量子计算?

它有助于首先了解古典计算机的基础知识,就像你正在使用的那个阅读这个故事一样。经典计算机存储和处理二进制位的信息,每个计算机都容纳0或1.典型的笔记本电脑可以包含数十亿个晶体管,该晶体管使用不同级别的电压电压来表示这两个值中的任一个。虽然古典计算机的形状,尺寸和功率广泛变化,但它们都在与二进制逻辑的相同基本系统上运行。

量子计算机基本上不同。它们称为Qubits的量子位可以每个占两个状态的值为0,1或同时组合。这归功于叫做叠加的量子力学现象。“Quantum粒子可以充当在两个地方一次,”MIT林肯实验室量子信息和综合纳米系统集团的研究员John Chiagilini解释。

粒子也可以相互“纠缠”,因为它们的量子态变得不可避免地联系在一起。叠加和纠缠使得量子计算机“比经典计算机以指数级的速度解决某些问题,”Chiaverini说。

Chiagilini指向量子计算机可以发光的特定应用。例如,它们非常擅长为密码学和数字安全的重要工具。它们还可以模拟复杂的分子系统,可以帮助药物发现。原则上,量子计算机可以涡轮增压许多研究和行业领域 - 只有我们可以建立可靠的领域。

你如何构建量子电脑?

由于两个相关的挑战,量子系统并不容易管理。首先是Qubit的叠加状态是高度敏感的。轻微的环境干扰或材料缺陷可能导致QUBITS犯错并丢失它们的量子信息。这个过程称为变阻,限制了Qubit的有用寿命。

第二个挑战是控制量子比特执行逻辑功能,通常通过电磁辐射的微调脉冲来实现。这个操作过程本身就会产生足够多的附带电磁噪声来引起消相干。为了扩大量子计算机的规模,工程师们必须在保护量子比特不受潜在干扰和允许它们被用于计算之间取得平衡。理论上,这种平衡可以通过一系列物理系统实现,不过目前有两种技术最有希望实现:超导体和俘获离子。

超导量子计算机利用成对电子的流动——称为“库珀对”——通过一个无电阻电路作为量子位。“超导体是非常特别的,因为在一定的温度下,它的电阻就消失了,”William Oliver说,他是麻省理工学院电子工程和计算机科学系的副教授,林肯实验室的研究员,也是麻省理工学院量子工程中心的主任。

计算机Oliver工程师使用由超导铝电路组成的Qubits冷冻绝对零度。该系统用作具有两个能量状态的Anharmonic振荡器,对应于0和1,因为电流以单向或另一个方式流过电路。这些超导Qubits相对较大,约为每个边缘的十分之一毫米 - 这比古典晶体管大数千倍。超导Qubit的散装块使其易于操纵计算。

但它也意味着奥利弗不断地战斗干式搏动,寻求保护额度的新方法免受环境噪音。他的研究任务是熨烫这些技术扭结,可以使得能够制造可靠的超导量子计算机。“我喜欢做基础研究,但我喜欢以一种实用和可扩展的方式来做,”奥利弗说。“量子工程桥量子科学与传统工程。科学和工程都需要进行昆腾计算现实。“

操纵Qubits挑战的另一种解决方案,同时保护它们免受破板的困难是一种被困的离子量子计算机,它使用单独的原子 - 以及它们的天然量子力学行为 - 作为Qubits。根据Chiagilini的说法,原子是比超冷电路更简单的Qubits。“幸运的是,我不必自己创造Qubits,”他说。“自然给了我这些非常好的Qubits。但关键是工程系统并获得那些事情。“

Chiaverini的量子位是带电的离子,而不是中性的原子,因为它们更容易包含和定位。他用激光来控制离子的量子行为。“我们在操纵电子的状态。我们提升了其中一个电子原子为了更高的能级或较低的能量水平,“他说。

通过将电压施加到芯片上的电极阵列,将离子本身保持在适当的位置。“如果我正确地这样做,那么我可以创建一个电磁场,该电磁场可以坚持到芯片表面上方的被捕获的离子。”通过改变施加到电极的电压,Chiaverini可以在芯片的表面上移动离子,允许在单独捕获的离子之间进行多通道操作。

所以,虽然Qubits本身很简单,微调它们的系统围绕它们是一个巨大的挑战。“您需要工程师控制系统 - 像激光器,电压和射频信号一样的东西。将它们全部放入芯片中,也陷入离子是我们认为是关键推动器的芯片。“

Chiaverini指出,被困离子量子计算机面临的工程挑战通常与量子位控制有关,而不是防止退相干;基于超导的量子计算机的情况正好相反。当然,还有无数其他的物理系统正在研究它们作为量子计算机的可行性。

我们从哪里开始?

如果您正在省电购买量子计算机,请不要屏住呼吸。Oliver和Chiaverini同意Quantum信息处理将在未来几年和几十年中逐步逐渐击中商业市场,作为科学和工程推进。

与此同时,Chiaverini注意到他正在开发的被困离子技术的另一个应用:高精度的光学时钟,可以帮助导航和GPS。对于他的部件,Oliver设想了一个连接的经典量子系统,其中经典机器可以运行大部分算法,为Quantum机器发送Quantum Machine的选择计算以在其Qubits Decohere之前运行。在长期内,量子计算机可以以更独立的方式运行,因为改进的纠错码允许它们无限期地运行。

“Quantum Computing已经成为未来几年,”恰维尼说。But now the technology appears to be reaching an inflection point, shifting from solely a scientific problem to a joint science and engineering one — “quantum engineering” — a shift aided in part by Chiaverini, Oliver, and dozens of other researchers at MIT’s Center for Quantum Engineering (CQE) and elsewhere.

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