用粒子加速器技术构建量子计算机的烦恼问题

超导射频腔

超导射频空腔,例如这里看到的射频腔用于颗粒促进剂。他们还可以解决Quantum Computer成功开发面临的最大问题之一:Qubits的角度。信用:Reidar Hahn,Fermilab

去年,费尔米尔的研究人员获得了比例为350万美元的项目,达到量子信息科学的蓬勃发展领域。由赠款资助的研究运行了域,从建筑和建模设备中进行建模,以便在Quantum Computer开发中使用Ultracold原子来寻找暗物质。

为了他们的量子计算机项目,费米实验室的粒子物理学家亚当·里昂和计算机科学家吉姆·科瓦尔科夫斯基正在与阿贡国家实验室的研究人员合作,他们将在那里的高性能计算机上进行模拟。他们的工作将有助于确定被称为超导无线电频率腔的仪器(也用于粒子加速器)能否解决成功开发量子计算机所面临的最大问题之一:量子位的退相干。

“费尔米尔开创了制造超导腔,可以将粒子加速到少量空间中的极高程度,”该项目领先科学家之一的Lyon说。“事实证明,这是直接适用于Qubit。”

该领域的研究人员一直在努力研制成功量子计算过去几十年的设备;到目前为止,这很困难。这主要是因为量子计算机必须保持非常稳定的条件,以保持称为叠加的量子状态。

叠加

古典计算机使用0s和1s - 名为位的二进制系统 - 存储和分析数据。八位组合制作一个字节的数据,可以串联成编码更多信息。(平均三分钟数字歌曲中有大约3180万字节。)相比之下,量子计算机不受严格二进制系统的限制。相反,它们在Qubits系统上运行,每个系统可以在计算期间采用连续的状态。正如原子核的电子轨道一样,原子核没有离散位置,而是在电子云中占据其轨道中的所有位置,可以在0和1的叠加中保持Qubit。

qubit叠加

QUBITS可以是0和1的叠加,而经典比特可以只是一个或另一个。信用:杰拉德省

由于任何给定的qubit都有两个可能的状态,因此一对可以将可以操作的信息量加倍:22= 4.使用四个QUBITS,并且该信息量增长到24.= 16。随着这种指数增长,只需要300个纠缠量子位元就可以编码比宇宙中物质还多的信息。

并行位置

Qubits不用与位相同的数据。因为叠加中的QUBits都是0和1同时,它们可以同样地表示同时给定问题的所有可能答案。这被称为量子并行性,它是使量子计算机的属性之一比古典系统更快。

经典计算机与其量子对应物之间的差异可以与其中有一本书的情况进行比较,其中一些页面以蓝色墨水而不是黑色。这两台计算机被赋予确定在每种颜色中打印多少页面的任务。

“一台经典的计算机可以浏览每一页,”里昂说。每一页都会被标记,一次一个,要么用黑色打印,要么用蓝色打印。“量子计算机不会按顺序浏览这些页面,而是会一次浏览所有页面。”

一旦计算完成,经典计算机会给您一个明确的离散答案。如果这本书有三页以蓝色印刷,那就是你得到的答案。

“但量子计算机本质上是概率,”Kowalkowski说。

这意味着您回来的数据并不明确。在具有100页的书中,量子计算机的数据不仅仅是三个。例如,它还可以给你一个有三个蓝页的1%的机会或50个蓝页的1%的几率。

当试图解释这些数据时,一个明显的问题出现了。量子计算机可以使用并行量子位进行令人难以置信的快速计算,但它只能计算出概率,当然,这并不是很有帮助——除非,也就是说,正确的答案可能以某种方式获得更高的概率。

干扰

考虑两个相互靠近的水波。当它们相遇时,它们可能产生建设性干涉,产生一个波峰更高的波。或者它们可能会产生破坏性的干扰,相互抵消,这样就没有任何波可言了。量子位态也可以像波一样,表现出相同的干涉模式,研究人员可以利用这种特性来确定给出的问题最有可能的答案。

建设性干扰

当波相遇时,它们可能会建设性地干扰,产生一个带有更高嵴的波。信用:杰拉德省

“如果你能在正确答案和错误答案之间设置干扰,你就能增加正确答案比错误答案出现的可能性,”里昂说。“你试图找到一种量子方法,使正确的答案具有建设性地干扰,而错误的答案具有破坏性地干扰。”

当一个计算在量子计算机上运行时,同样的计算要运行多次,量子位可以相互干扰。结果是一条分布曲线,其中正确答案是最常见的答案。

相消干涉

波浪可能也可能破坏性地干扰,互相取消,以便不再掌握任何波浪。信用:杰拉德省

收听噪声高于的信号

在过去的五年中,大学的研究人员,政府设施和大公司已经鼓励发展有用量子计算机的进步。去年,谷歌宣布它在一小部分上拍摄了他们的量子处理器的计算,这是一个众所周知的超级计算机完成相同任务的时间。

然而,我们今天拥有的量子设备仍然是原型机,类似于20世纪40年代的第一批大型真空管计算机。

“我们现在的机器根本没有扩大得多,”里昂说。

在量子计算机变得可行和竞争之前,还有一些障碍研究人员必须克服。最大的一个是寻找一种方法来保持足够长的微妙Qubit状态,以便他们执行计算。

量子计算机操作

当量子计算机运行时,需要放置在大型冰箱中,如这里所示的大型冰箱,将设备冷却至小于绝对零的程度。这样做是为了将能量从周围环境保持进入机器。信用:Reidar Hahn,Fermilab

如果一个来自系统外的游离光子(一种光的粒子)与一个量子位相互作用,它的波就会干扰这个量子位的叠加,从本质上把计算变成一团混乱——这个过程被称为退相干。虽然冰箱在将不必要的交互作用控制到最低限度方面做得还算不错,但它们只能维持一小部分时间。

“Quantum Systems喜欢被隔离,”里昂说,“并且没有简单的方法。”

这是Lyon和Kowalkowski的模拟工作进入的地方。如果Qubits不能保持冷,以保持状态的纠缠叠加,则可以以使它们更易受噪声的方式构建设备。

事实证明,通常用于在加速器中推动粒子束的铌超导腔可能是解决方案。这些空腔需要非常精确的构造,并在非常低的温度下运行,以有效地传播加速粒子束的无线电波。研究人员推测,通过在这些空腔中放置量子处理器,量子位元可以在不受干扰的情况下进行数秒的交互,而不是目前记录的毫秒,这样就有足够的时间来执行复杂的计算。

Qubits有几种不同的品种。可以通过捕获磁场内的离子或使用由晶格形成的碳晶片包围的氮原子来产生它们。Fermilab和Argonne的研究将专注于由光子制成的Qubits。

里昂和他的团队已经开始模拟无线电频率空腔的预期表现。通过在阿贡国家实验室的高性能计算机上进行模拟,他们可以预测在超低噪声环境下光子量子位能相互作用多长时间,并解释任何意想不到的相互作用。

世界各地的研究人员已经使用了桌面计算机的开源软件来模拟量子力学的不同应用,为如何将结果纳入技术的蓝图提供了开发人员。然而,这些计划的范围受个人计算机上可用的内存量的限制。为了模拟多个Qubits的指数缩放,研究人员必须使用HPC。

“从一个桌面到一个HPC,你可能会更快地速度10,000倍,”阿尔冈国家实验室和项目合作者的合作者。

一旦团队完成了模拟,费尔米尔研究人员将使用结果来帮助改善和测试作为计算设备的腔。

“如果我们设置模拟框架,我们可以以最佳方式向储存量子信息的最佳方式提出非常有针对性的问题,并将梅尔米尔量子技术副负责人埃里克·荷兰说。“我们可以使用它来指导我们为量子技术开发的内容。”

这项工作得到了科学能源办公室的支持。

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