研究人员在量子寄存器中执行逻辑操作和纠错

钻石中量子计算

发光缺陷:钻石中的氮气掺杂剂可以用绿灯兴奋,使宝石发出红色。基于斯图加特的研究人员对其实验使用的钻石含有非常少量的氮缺损。在这些缺陷中的一个之一,研究人员中所谓的NV中心产生量子寄存器,在那里它们展示了量子位上的误差校正。信誉:斯图加特大学

国际物理学家团队发现了一种用少量氮杂质控制钻石的量子系统。

计算机不一定必须执行无差错的计算,以便提供完美的结果 - 它们只需以可靠的方式纠正其错误。这将在未来变得更加重要,当希望量子计算机将比传统的PC更快地解决一些速度,计算过程非常有效,也容易发生干扰。现在,一支由斯图加特大学和斯图加特Max Planck固体研究所的物理学家领导的国际团队已经找到了一种控制钻石的量子系统,特别是少量氮杂质。因此,研究人员可以特别地寻址量子位,即量子计算机的最小计算单元,在菱形中,将几个比特组合到计算寄存器中。它们对逻辑操作使用新的控制程度,这对于量子计算机至关重要,以及用于纠错。

物理学家已经拥有对Quantum Computer的优势:它可以在大型数据库,编码和解码中进行搜索,或者量子物理学中的研究任务比今天的任何可以想象的传统计算机在那里进行。但是,仍然没有明确概念量子计算机的蓝图应该是什么样的;目前,目前可以在可以进行量子处理器的材料中获得真正的最爱。这里可能的选择是由电场捕获的离子,光学晶格中的原子,超导体制成的装置,或掺杂有微小量的氮气的钻石。

物理学家与JörgWrachtrup,斯图加特大学教授和Max Planck固体研究所研究所的研究所,一直在调查一段时间,散发出氮气的钻石。在向量子计算机的道路上,他们现在帮助钻石同时在几个障碍上。基于斯图加特的研究人员不仅通过量子寄存器而产生,因此通过钻石中的传统处理器的对应物进行了影响;它们还能够可靠地控制寄存器,使用它来执行逻辑操作并正确错误。“由于我们同时了解我们系统的量子力学,我们可以使用不需要复杂的低温技术或激光系统的相当简单的方法生产量子寄存器,”JörgWrachtrup说。

量子寄存器处于几个量子位元的叠加状态

量子寄存器总是包含单独的量子位(量子位的简称),它们可以像传统的位一样处于两种状态之一,以表示0或1。然而,与传统比特不同的是,几个量子位元可以进入叠加状态,每个比特元实际上都在“0”和“1”之间浮动。这意味着每个叠加态都有不同的发生,这些都包含在量子寄存器中作为可能性。这些可能性可以像传统计算机的比特一样用于一些并行计算。

量子位在寄存器中组合,更强大,但也更敏感,是处理器。这是因为外部干扰仅从“一个”和“零”之间的浮动状态朝向两个选项之一时,仅从浮动状态推动Qubit。在最坏的情况下,不受欢迎的外部影响破坏了敏感的叠加,并使它无用的并行计算。斯图加特的研究人员现在为此找到了补救措施。

研究人员发现一种控制钻石的量子系统的方法

量子寄存器的示意图:通过NV中心的电子(蓝色)的相互作用(红线)和无线电脉冲的电子(蓝色)可以控制NV中心附近的原子(橙色)的核旋转 - 这里氮原子的核旋转和重型同位素13c的两个碳原子。每个旋转由箭头表示。信贷:自然;DOI:10.1038 / Nature12919

通过缺陷将三个核旋转组合到量子寄存器

他们使用重型C13同位素的两个碳原子和一个氮气原子作为量子位。这些原子各自具有核旋转,可以采用磁场中的两个取向,并且可以通过射频脉冲进行操纵。核旋转的方向在核磁共振断层扫描中提供了人体的视图;但是,在Qubit中,它用于提交一点的“零”或“一个”。现在唯一缺少的是控制单元,以允许基于斯图加特的研究人员控制量子位并将它们组合成寄存器。这是由氮原子引起的金刚石的原子晶格中的不规则性,以氮原子引起。

氮缺陷 - 物理学家称之为NV中心(NV:氮空位) - 可以成为一个单一电子的陷阱。电子也具有旋转,其取向也具有对核旋转方向的影响。电子旋转可以切换得比核旋转快,但更容易发生干扰的影响。研究人员使用它用于控制命令,以通过射频脉冲传输无法传输的核旋转。因此,缺陷中的电子提供了量子寄存器中的核旋转之间的通信。最后,物理学家用它作为一种工具来帮助他们阅读核旋转。

具有快速开关和鲁棒存储设备的量子寄存器

“过去,NV中心的电子被用作存储设备,以扩展量子寄存器,”在实验中扮演关键角色的Gerald Waldherr说。“我们只用电子来控制存储量子信息的核自旋。”这使得研究人员可以利用这两种系统的优点:量子寄存器可以通过电子自旋快速切换。相比之下,核自旋以一种相对可靠的方式存储信息,因为它们能很好地抵御干扰。

在电子自旋的帮助下,物理学家们现在使用一种巧妙的光脉冲和射频脉冲的组合来操纵三个核自旋,使它们最初处于叠加状态:它们使核自旋纠缠在一起。量子力学纠缠在量子粒子之间创造了一种虚拟的纽带,使它们知道彼此的存在。只有纠缠系统才适合作为量子寄存器,因为只有它们才允许量子计算机的并行操作。

CNOT门允许其他计算操作

在下一步中,研究人员表明,使用CNOT门 - 对于量子计算机尤为重要的逻辑操作,可以在该量子寄存器中进行逻辑操作。“所有其他操作都可以通过CNOT Gate和各个Qubits的本地操作实现,”Gerald Waldherr解释道。CNOT栅极根据第二位交换一位。例如,如果后者表示“一个”,例如,则第一个将从“零”设置为“一个”,反之亦然;然而,如果后者在“零”处,它保持不变。斯图加特的研究人员通过向NV中心或核旋转发送不同的射频脉冲序列,在其寄存器中对核旋转进行了完全进行了这种操作。

完全控制量子寄存器

完全控制量子登记:斯图加特大学的物理学家和Max Planck固体研究所研究所修复了几乎方形的钻石,长度宽阔,一毫米高,高于金基板。它们用绿色激光透光来解决个体氮缺陷(NV中心)的电子。金箔中的两个条状切口产生窄导电轨道,导致通向NV中心。该轨道用于产生射频脉冲以操纵各个核旋转。信贷:杰拉尔德瓦尔德尔

CNOT门不仅对量子计算机的计算能力是必不可少的,它也使错误纠正成为可能。虽然核自旋对干扰不像电子自旋那样敏感,但它们绝不是免疫的。Gerald Waldherr和他的同事演示了如何在量子寄存器的一个可能的叠加态中消除可能的错误。

为了纠正这些错误,科学家们从叠加态不是所有可能的自旋方向的任意组合这一事实中获益。相反,在这些叠加态中的一个中,所有的量子位不是“1”就是“0”。在另一种状态下,“二”总是“一”。因此,错误是显而易见的。在这两个完整的量子位元的帮助下,可以重建第三个量子的原始状态。CNOT操作是为此选择的工具,因为它根据另一个位来切换一个位。对量子寄存器的三个量子位进行巧妙的CNOT运算,不仅可以显示出一个比特是否偏离了特定叠加态的特征模式,甚至可以立即纠正错误。

该计划是增加量子寄存器中的量子位的数量

“我们目前的工作表明,钻石中的缺陷中心比我们最初想到的更有通用,”JörgWrachtrup说。“我们已经通过更好地理解缺陷而不是投资到材料来获得新发现。”

研究人员也将在未来依赖智能想法,因为他们试图进一步改善钻石在竞争中的钻石前景,以获得最有用的量子寄存器。首先,他们希望增加他们的注册中的Qubits的数量。为此,他们希望整合核旋转,这发现与电子通信比其当前计算寄存器的三个旋转更难以与电子通信。如果他们成功地纠缠了几个NV中心并解决了各个中心附近的相关核旋转,它们也可以扩大量子寄存器。因此,它们也将网络化核旋转,这些核旋转由个体缺陷控制。然后,量子寄存器将慢慢接近它实际上可以挑战传统处理器的尺寸,以实现一些计算任务。

出版:G. Waldherr等,“固态混合旋转寄存器中的量子纠错,”2014;DOI:10.1038 / Nature12919

PDF研究的副本固态混合自旋寄存器中的量子误差校正

图片:UniversitätStuttgart;自然;DOI:10.1038 / Nature12919;杰拉尔德瓦尔德赫尔

3评论“研究人员在量子寄存器中执行逻辑操作和纠错”

  1. 区分逻辑量子位和物理量子位可能有助于澄清科学家们正在做的事情。一种是将物理量子位纠缠成逻辑量子位,由于物理量子位之间的冗余,逻辑量子位更加可靠。

    也就是说,组合状态是α| 0> 0> 1> 1> 1> 1>(或具有更高的简洁性,α100> +β| 111),以构建逻辑QUBitα| 0> +β| 1>和系数α和β是复数,使得既不是| 0>也不是1>,但是当测量时,两者的线性组合可以给出| 0> S的概率混合物假设第三,| 000>或111>上没有误差,或者在物理额外的情况下。概率分别与系数α和β的绝对值的正方形成比例。三个物理额度充当双重或更准确,三重检查彼此。

    如果Qubits限于0或1的状态,则没有量子优势。非量子计算机(确定性或概率)可以有效地模拟这种量子计算。同样,如果没有破坏性干扰(即,概率的图灵机),或者对于那么物质,逻辑QUBITS太高了。

    许多量子算法大量使用哈达玛门创造的贝尔态,在这种状态中,测量结果将以相同的概率返回0或1。这对于量子并行是必要的,因为它使同时探索0和1的所有组合成为可能。

    作为本文的作者和本文的作者的作者,他们正在使用在叠加的计算基向量的线性组合状态的Qubits:

    “原始状态|△> =α| 0> +β| 1>编码为α| Y + Y + Y +> +β| Y-Y-Y->。在解码后,在没有误差的情况下,状态将是α| 000> +β| 111>,在例如误差时α1001> +β110>。13C2。然后,通过将其在13C2的状态下翻转其条件,产生误差,从而在13C2的状态下将其翻转,得到(α1)(α1+β|)和| 11> 1> +β| 0>)分别。“

    ,同样,

    “在下文中,我们示出了基于电子旋转的条件2πx旋转的核心栅极使用核CPhase栅极创建两个Qubit GHz样状态的机制。我们从初始化状态初始化的核QUBITS,并在两者上应用πx/ 2旋转,以最终进入(不包括归一化)

    |00>−i|01>−|10> + i|11>。(1)

    在这种情况下,正常化将是第2分。

    然而,至少在原则上,直到测量点之前,这是完全确定的。表示量子位状态或量子位状态的多量子位组合的向量在一个复数的多维希尔伯特空间中旋转,在希尔伯特空间中,维数随量子位数呈指数增长,其中每个维度对应于逻辑量子位测量值的一个可能组合,门在这个空间中执行明确定义的旋转,直到测量点。此外,由于哈达玛门是它自己的逆,所以有可能以1的概率将量子位返回到0或1。

    然而,更广泛地,与每个可能的逻辑夸张的组合相关联的系数每个都能够几乎独立于其余部分变化。唯一的绝对约束是Hilbert空间中的向量的长度为1.因此,通常量子算法赋予概率结果。这种情况下的诀窍是设计它们,使得获得正确答案的可能性尽可能接近1。在许多这些算法中,这是通过重复扩大获得该答案的概率的步骤序列的过程来完成的。Grover的搜索算法用于未结构化的数据库是一个很好的情况。

  2. PS.

    我的道歉......我第一次阅读文章并评论时我没有注意到日期。通常,在发布故事后,人们仍未评论,我试图遵守这一规则。无论如何,我真的很喜欢这篇文章,我认为这个网站上有一系列关于量子计算的文章。期待阅读他们和尚未到来的人。而且,正如在这种情况下,我非常欣赏到技术纸的联系。谢谢!

  3. Kamir Bouchareb St.|2020年6月20日上午6:21|回复

    好谢谢你

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