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研討職員經由過程從算法到傳感器的前進加快量子計較
來歷:賽斯維傳感器網 頒發于 2021/9/23

跟著對更好的量子計較的鞭策不時升溫,研討職員但愿經由過程量子傳感器、算法和量子比特的成長來處置這些題目。


比來,量子研討到達了新的高度。不管是德國的建議、量子互聯網的鞭策,仍是光子芯片,這個范疇都在興旺成長。

鞭策量子手藝是一項環球性的盡力,很多國度投入了大批資金。圖片由Qureca 供給


跟著比來對量子計較和相干手藝的研討為推動量子范疇帶來了三種立異的潛伏體例,這一勢頭不時成長。


這些成長包含降服嚴重的量子計較挑釁,建立用于檢測暗物資粒子的候選量子傳感器,和開辟在典范半導體硬件上運轉量子軟件的平臺。


本文將深切切磋每個,看看有甚么新東西和將來能夠或許或許會產生甚么。


關頭量子計較題目的處置計劃

要涵蓋的第一個研討范疇試圖回覆量子計較的首要挑釁之一。


挑釁在于,要使量子計較機具備任何現實利用,它必須利用數千(若是不是數百萬)量子位來運轉。今朝的量子計較機還不做到這一點:量子計較的最大挑釁之一是節制大批量子位,而不用利用大批的布線和電能。


以這類體例節制數百萬個量子位幾近是不能夠或許或許的,由于空間限定加上高電流耗損的散熱將致使溫度下降。這些溫度能夠或許或許使在應當靠近相對零的環境中獲得靠得住的量子位讀數變得不能夠或許或許(為了在不攪擾的環境下一般運轉,以后的量子計較機手藝須要毫開爾文的溫度能力運轉)。


發起的處置計劃來自悉尼新南威爾士大學的工程師。這些研討職員開辟了一種能夠或許或許的體例,該體例觸及利用晶體資料組件同時磁性節制多個量子位。

(a) 微波節制場的 3D 襯著圖象,(b) 裝備倉庫,和 (c) 裝備的照片。圖片由 Vahapoglu 等人供給


所會商的組件稱為介電諧振器,它能夠或許或許將微波頻次磁控場平均地聚焦到量子位體系中。這類分歧性象征著僅利用一個元素便能夠或許同時節制數百萬個量子位。


但是,這個處置計劃不只僅是一個團隊的盡力。這是由Jarryd Pla 傳授(擔任相干立異)帶領的團隊 和Andrew Dzurak 傳授(他曩昔曾利用硅制作手藝開辟適量子芯片)帶領的 團隊的配合盡力。


雖然量子計較機仍面對很多工程挑釁,但開辟一種僅用一個組件同一節制數百萬個量子位的體例能夠或許或許是將量子處置器晉升到新程度的可貴一步。


下一個研討范疇但愿締造一種新型的量子傳感器。


用于探測暗物資的量子傳感器

暗物資 是一個抽象的術語,用于描寫宇宙中還不被發明或迷信證實的假定粒子,雖然天體物理學察看和沒法詮釋的引力效應表示了它們的存在。物理學家一向試圖經由過程多種差別的迷信體例間接探測暗物資以證實其存在并領會其成份。


為了呼應物理學家的號令,美國國度規范與手藝研討院 ( NIST ) 的研討職員正在經由過程開辟一種用于丈量特定電場的量子離子阱傳感器來靠近這一方針。所會商的傳感器是基于晶體的,由 150 個鈹離子制成,構成一個被困在磁場中的二維布局。

John Bollinger(左)和 Matt Affolter(右)利用量子傳感器。圖片由R. Jacobson/NIST 供給


NIST 物理學家假定該傳感器能夠或許檢測現實上的亞原籽粒子,比方軸子和暗光子,它們能夠或許或許是暗物資成份。 


它將經由過程丈量晶體離子布局中的活動來檢測這些假定粒子的弱電場,出格是在它們的自旋中,這是一種描寫粒子內涵角動量的量子特征。


這類傳感器能夠或許證實是一項有吸收力的手藝,由于它利用類似于離子阱量子計較機的道理,這象征著這項研討能夠或許從量子計較范疇的前進中受害。但是,更主要的是量子芯片也能夠或許從開辟這些范例傳感器的改良中受害。


今朝,任何暗物資粒子證據的有效性和適用性都未知;但是,該名目面前的研討職員以為,經由過程一些改良,該嘗試能夠或許成為探測和懂得宇宙中沒法詮釋和沒法詮釋的物資的根基資本。


從這里起頭,讓咱們此刻深切研討盡力在量子計較中掀起波瀾的最初一項研討。


在典范計較機上運轉量子軟件

量子計較機是一項主要的將來手藝,由于它們計較龐雜數學題目的速率比通俗計較機快幾個數目級。但是,量子處置器依然面對的較著物理限定和堅苦正在指導研討職員進入多個差別的方歷來降服這些挑釁。


一個風趣的體例 是不利用量子芯片,而是在典范半導體計較機中摹擬量子算法。EPFL 傳授 Giuseppe Carleo和Matija Medvidovi?(哥倫比亞大學和熨斗研討所的研討生)正試圖讓量子計較更靠近現實。

QUOA 電路。圖片由 Carleo 和 Medvidovic 供給


該軟件被稱為量子類似優化算法,簡稱QAOA,它用于經由過程從一組能夠或許或許的處置計劃中遴選最好處置計劃來處置數學優化題目。


由于量子計較機的性子,與在半導體處置器上運轉的算法比擬,這類范例的量子算法現實上能夠或許或許在幾秒鐘內處置龐雜的計較。但是,摹擬這些算法須要機械進修來準確摹擬和履行無限版本的任務量子處置器。


這項研討是利用 Carleo 傳授于 2016 年開辟的野生神經收集東西停止的,這是第一次在典范計較機中摹擬 QAOA。


在不量子計較機的環境下開辟摹擬量子軟件是朝著懂得和推動量子計較邁出的一大步。這項研討能夠或許讓一些最有前程的量子計較算法在開辟壯大的量子計較機之前停止實驗和研討。


瞻望將來 

跟著公司和大學進入量子范疇,這三種手藝只是量子范疇的一些最新停頓,每種手藝都有怪異的設法和體例。


研討是根本,由于量子計較追求成為一種有效的將來手藝,無望在很多其余范疇獲得前進。


經由過程為量子計較的龐雜根本舉措措施題目開辟軟件和硬件處置計劃來下降進入量子計較的門坎,這是讓更普遍的研討職員更輕易利用該手藝的一個關頭路子。處置諸如量子位接線之類的題目,乃至在量子芯片以外摹擬 QAOA 等量子算法,都是加快量子計較成長的可貴一步。


量子傳感器對推動量子手藝也相當主要。但是,這類探測假定暗物資粒子的特定用處不只從物理學的角度來看很風趣,并且從工程的角度來看也很風趣——但愿找到這些潛伏粒子特征的現實利用和用處。


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