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    量子也能構建計算機?什么是“硅基自旋量子比特”?

    來源:央廣網  作者:整理  日期:2022-01-23 00:47:46

    據中央廣播電視總臺中國之聲《新聞超鏈接》報道,最近,國內半導體量子計算再迎新進展,中國科學技術大學郭光燦院士團隊與美國、澳大利亞研究人員及我們國家的本源量子共同合作,實現了硅基自旋量子比特的超快操控,自旋翻轉速率超過540MHz——是目前國際上已經報道的最高值。相關的研究論文已經發表在了學術期刊《自然·通訊》上。

    (圖源:《自然·通訊》官網)

    量子如何成為計算機?如何理解“硅基自旋量子比特”?我國量子計算機未來將如何發展?

    量子是什么?量子如何成為計算機?

    量子并不是一個具體的物理量。1900年,普朗克首次提出量子概念。普朗克假定,光輻射與物質相互作用時其能量不是連續的,而是一份一份的,一份“能量”就是所謂量子。愛因斯坦認為,光輻射的能量,本身就是“量子化”的,一份能量就是光能量的最小單元。

    按物理運動規律的不同,科學家們將遵從經典運動規律的那些物質所構成的世界稱為“經典世界”,將遵從量子力學規律的那類物質所構成的世界稱為“量子世界”。“量子”就是量子世界中物質客體的總稱,它既可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子,也可以是玻色-愛因斯坦凝聚、超導體,“薛定諤貓”等宏觀尺度下的量子系統。

    通過傳統晶體管的開關來編碼經典比特的0和1可以構建經典計算機的處理器,我們同樣可以使用量子來編碼量子比特,從而構建量子處理器,再結合一些量子軟件和硬件構建量子計算機。

    量子計算技術擁有極快的計算速度和極強的信息處理能力。中科院量子信息重點實驗室研究員李海歐表示,通用量子計算機的誕生將在海量信息處理、重大科學問題研究等方面產生巨大影響,甚至在國家的國際地位、經濟發展、科技進步、國防軍事和信息安全等領域發揮關鍵性作用。

    “硅基自旋量子比特”是什么?為什么它是量子計算研究的核心方向之一?

    硅基自旋量子比特是硅基半導體量子計算的比特載體,硅基自旋量子比特里面包含兩個概念,其一是硅基,即硅基半導體;其二是自旋量子比特。在半導體材料中有一種載流子——空穴,空穴為帶正電荷的氣泡,與帶有電荷的電子類似,空穴同樣可以自己旋轉,科學家稱它們的自轉為自旋。以電子為例,電子可以繞著一個軸順時針轉,也可以逆時針轉。我們想像電子繞著的軸是實體,用一只手握緊該軸,大拇指露出來,四個手指逆時針時,大拇指向上,此為自旋向上,四個手指順時針時,大拇指向下,此為自旋向下,自旋向上和向下態分別編碼比特的0和1就構成了自旋量子比特。

    一個比特體系要想實現量子計算機研制,需要做到兩點。一是比特的性能要好,二是比特具有可擴展性。比特的性能包括三個方面:一是量子退相干時間,也就是一個電子的自旋在向上和向下態之間連續變化能保持相干性的時間要足夠長;第二個是操控速率,電子的自旋向上和向下兩種狀態之間變化的要足夠的快;最后一個方面是單個比特門操控的保真度,硅基自旋已經實現了單比特門操控保真度99.9%和兩比特門操控保真度99%。其次,在比特擴展方面,由于構造硅基自旋量子比特的硅基量子點的制備和加工工藝與現代半導體工藝技術完全兼容,具有極高的可擴展性。

    結合了優質的比特性能和高度的可擴展性的硅基半導體自旋量子比特被認為是實現規?;孔佑嬎銠C研制的核心方向之一。

    我國在量子計算領域正在哪些方面尋求突破?

    量子計算機的研制可以分為三個階段:量子計算機原型機階段,“量子霸權”或“量子優勢”階段,以及通用量子計算機階段。各個物理體系都在向著更高階段邁進,量子計算自然也不例外。

    超導量子計算機方面,IBM在2021年11月宣布實現了127個超導量子比特,比特數在國際上首破“100”大關。我國的本源量子也已經實現了24個超導量子比特,正在進行更多比特的研發,期待本源量子能夠在今年突破“100”比特大關。

    硅基半導體量子計算方面,目前硅基半導體自旋量子比特數的國際最高水平是4—6個比特。我國的研究團隊開展的硅基半導體量子計算,已經實現了自旋單量子比特和兩量子比特的相干操控以及兩量子比特的長程耦合,正在努力將單比特和兩比特門的操控保真度進一步提升,把比特做得更好,進一步利用二維結構和微波光子耦合兩種方式探索量子比特擴展架構,把比特做得更多,在實現量子計算機原型機演示的基礎上加快實現“量子優勢”的重大突破。

    李海歐表示,量子計算機技術是世界大國之間的競爭焦點,但國內能夠真正進行量子計算研發的人才十分稀缺,優秀量子計算人才的缺乏可能會阻礙我國量子信息技術的發展。李海歐希望政府和更多高校和科研單位能夠加大對量子專業人才的培養和扶持,為國內科研單位和量子計算相關企業輸送更多優秀人才,讓量子計算在國內走得更遠、更好。

    分類:量子
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