《美欧科学家研发出新型模拟量子计算机》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: 李衍
  • 发布时间:2023-02-27
  •        据科技日报2月3日报道,美英科学家合作发明了一种可扩展的新型模拟量子计算机,有望用于解决现有最强大的数字超级计算机也无法解决的物理学前沿难题,例如帮助科学家更好地理解超导性,最终找到在室温下具有超导性的材料。相关研究刊发于最新一期《自然·物理学》杂志。

      在最新研究中,斯坦福大学、美国能源部SLAC国家加速器实验室以及爱尔兰都柏林大学的研究人员设计出金属—半导体混合组件,并将其整合到纳米电子电路内,得到了新的量子设备。

      研究人员解释说,模拟设备的基本原则是创建一种与想要解决的问题类似的硬件,而非为可编程数字计算机编写代码。例如,可通过构建一个太阳系的力学模型来预测行星的运动以及日食发生的时间。20世纪晚期,模拟设备被用于解决当时最先进的数字计算机无法解决的数学计算。

      但要解决量子物理问题,模拟设备需要包含量子组件。新研制的量子模拟器体系结构包括拥有纳米元件的电子电路,这些元件受量子力学定律的控制。重要的是,科学家可制造许多这样的组件,每个组件的行为基本上与其他组件相同,这就使最新设计能从单个单元扩展到大型网络,朝开发出新一代可扩展固态模拟量子计算机迈出了关键一步。

  • 原文来源:https://www.cas.cn/kj/202302/t20230203_4873832.shtml
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    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2017-12-12
    • 德国康斯坦茨大学与美国普林斯顿大学及马里兰大学的物理学家合作,开发出了一种基于硅双量子位系统的稳定的量子门。量子门作为量子计算机的基本元素,能够执行量子计算机所有必要的基本操作。这项研究成果被称为通向量子计算机的里程碑,已于近日发表在《科学》杂志在线版。 量子计算机比传统计算机对外部干扰要敏感得多,因此,创造稳定的量子门,即量子计算机的基本切换系统,成为科学家的主要目标。此次,德美联合研究团队利用单个硅电子的电子自旋作为量子位(即基本的信息存储单元),他们创造的稳定的量子门,可以精确控制和读取两个量子位的相互作用。 该研究的第一个成就是从硅片的数十亿个原子中提取单个电子。负责项目协调的康斯坦茨大学物理学教授格依多·伯克哈德介绍说:“这是由我们普林斯顿同事完成的极了不起的成果。”研究人员利用电磁吸引力和斥力的组合,将单个电子分离出来,然后精确地排列,让每个电子嵌入一个“槽”中,使其处于一种稳定状态。 接下来的挑战是开发一个可以控制每个电子自旋脉冲的系统。他们采用的方法是:每个电子都置于一个纳米电极上,通过所谓的磁场梯度,创建一个定位磁场,用其控制电子的旋转脉冲,由此创造了稳定的一个量子位系统,以电子自旋形式存储和读出信息。 但仅有一个量子位还不足以构成量子计算机的基本切换系统,必须要有两个量子位。这项研究的决定性一步是康斯坦茨大学研究人员将两个电子的状态耦合在一起,形成双量子位系统。通过这种结合,可以构建基本的切换系统,利用它可以执行量子计算机的所有基本操作,例如,可以对系统进行编程,使得电子只有当其相邻电子在预定方向上具有自旋时才旋转。下一步,康斯坦茨大学的科学家还将建立一个稳定的系统来控制两个单电子的旋转。
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    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2021-12-06
    • 1965年诺贝尔物理学奖得主菲利普·沃伦·安德森在1973年首次提出一种新物质状态——量子自旋液体。其不同性质在高温超导和量子计算机等量子技术领域有着广阔的应用前景。但问题在于,从未有人见过这种物质状态,至少近50年来一直如此。如今,哈佛大学领导的一个物理学家团队表示,他们终于通过实验模拟并分析了这种奇异的物质状态。相关论文发表在2日的《科学》杂志上,这一成果标志着人们对量子自旋液体的神秘本质有了全新理解,向能够按需创造出这种难以捉摸的状态迈出了一大步。 量子自旋液体与水等日常液体没有任何关系,而是与磁铁和其中电子旋转的方式有关。在普通磁铁中,当温度降到一定温度以下时,电子就会稳定下来,形成一块具有磁性的固体物质。在量子自旋液体中,电子在冷却时不稳定,不会形成固体,并且在不断变化和波动,如同液体一般。 研究人员表示,从这项研究中学到的知识有朝一日可能会为设计更好的量子材料和技术提供帮助。更具体地说,量子自旋液体的奇异性质可能是创造更稳定的量子比特(即拓扑量子比特)的关键,这种量子比特有望抵抗噪音和外部干扰。学习如何创造和使用这样的拓扑量子比特,意味着向实现可靠的量子计算机迈出重要一步。 研究小组使用可编程量子模拟器来观察这种类似液体的物质状态。该模拟器是一种特殊的量子计算机,允许研究人员创建诸如正方形、蜂窝状或三角形晶格等可编程形状,从而设计超冷原子之间不同的相互作用和纠缠。 在传统的磁铁中,电子自旋按照某种规则向上或向下。例如,在日常使用的冰箱磁铁中,旋转都指向同一个方向。这是因为旋转通常以棋盘格模式工作,并且可以配对,这样它们就可以指向相同或相反的方向,保持一定的顺序。 量子自旋液体没有表现出这样的磁性顺序。这是因为,从本质上讲,其添加了第三个旋转,将棋盘格图案转变为三角形图案。虽然一对电子总是可以稳定在一个或另一个方向上,但在三角形中,第三个自旋总是奇数,这就形成了一个阻挫自旋系统,使电子自旋不能稳定在一个方向上。 研究人员使用模拟器创建了这种阻挫系统晶格图案,将原子放在相应位置相互作用和纠缠,在整个结构纠缠在一起后,他们能测量和分析连接原子的弦——这些弦被称为拓扑弦。拓扑弦的存在及对其进行的分析表明,量子自旋液态已经出现。