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《在半导体三量子比特系统中通过实验证明了一个toffoli门》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： Lightfeng
  • 发布时间：2018-03-05

  • 在量子信息与量子物理协同创新中心重点实验室里取得了一项新的进展，郭国平教授与他的同事肖明，李海鸥和曹刚设计并制作了一个带有六个量子点的量子处理器，并通过实验证明了Toffoli门的量子控制。这是在半导体量子点系统中第一次实现Toffoli门，这激励了对大规模半导体量子处理器的进一步研究。

    开发与现代半导体技术兼容的可扩展半导体量子芯片是一个重要的研究领域。在这个领域，基于量子点的半导体量子比特的制造，操作和缩放是最重要的核心技术。郭国平教授的小组旨在掌握这些技术，并长期致力于此领域。在展示三量子比特门之前，他们在2013年实现了基于半导体量子点的电荷量子位的超快速通用控制，并在2015年实现了两个电荷量子位的受控旋转。

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  • 《半导体激发的超导量子计算设备：使用来自半导体自旋量子比特的设计理念的超导量子计算的实现》
    • 来源专题：宽带移动通信
    • 编译者：gaof
    • 发布时间：2016-05-23
    • 综述： 据最新的一项报道，将来超导量子计算机的建设者或许可以从半导体器件中学到点一点东西，通过利用自然世界和半导体行业的好点子，研发人员或许能够大大简化由半导体构建的量子设备的操作。他们称这位‘半导体激发’的方法，并认为这能够为提高超导量子电路提供有用的指南。 根据最近一周自然通讯期刊的报道，将来超导量子计算机的建设者或许可以从半导体器件中学到点一点东西，通过利用自然世界和半导体行业的好点子，研发人员或许能够大大简化由半导体构建的量子设备的操作。他们称这位‘半导体激发’的方法，并认为这能够为提高超导量子电路提供有用的指南。 超导量子比特，或者称量子位是由超导器件（比如导线、电容或非线性电感）组成的电路，这种电路对于电流来说电阻为零。从零开始设计这些电路提供了极大的灵活性，向实现全面的量子计算机又走进了一步，另一方面，从半导体材料比如超高纯度硅中发现的量子比特为量子计算提供了很好的性能，比如较长的量子存储时间和更快的两个量子比特逻辑门。这些优点也有一定的限制，但是这些限制引起了半导体领域的创造性的解决方案。 物理科学实验室和马里兰大学帕克分校的Yun-Pil Shim和Charles Tahan也在探索来源于半导体量子的创意对设计超导量子计算机更好的方法是否有用，首先第一步，他们想要对最先进的超导量子比特应用新颖的控制方法，他们发现可以通过使用从半导体量子比特领域发展而来的解决方案，消除最昂贵的控制开销之一的微波源。值得注意的是，他们发现了一个更高效地超导量子比特的实现方法，使得比原始的半导体方法更容易实现。 “如果可以在人造超导电路上模拟半导体量子的属性，就可以两全其美，” Tahan说，“在海量参数中，有时候自然是最佳的指南。” 量子比特可以在许多不同的物理平台上实现，比如超导电路或电子自旋。自选是粒子的量子特性，物理学家通常认为粒子是小的磁体，可以指向外加磁场的方向，这导致了量子0和1的叠加态，这是量子比特的关键特征。在一些系统中，因为这些自旋量子比特不受常见的噪声源如电场的影响，所以能够鲁棒地携带量子信息。 自旋和超导量子比特以相似的方式控制，考虑到量子比特逻辑门，微波射线能够驱动两者的两个量子位之间的转换。但是半导体自旋量子比特也是不同的，他们通常与环境有着弱耦合，引起长的记忆时间但是缓慢的量子逻辑门。另外，自旋量子比特非常小，使得他们易受临近自旋的影响。 通过研发“全电气”的方案实现量子计算，可以解决以上两个问题，这种方法使用多个物理自旋代表一个量子比特，这种“经过编码”的量子比特操作由物理自旋之间的成对的相互作用完成。每一个量子比特编码至少需要三个自旋电子，需要大量的物理脉冲实现一个编码的逻辑门，很显然这对于量子计算来说代价太大了，特别是脉冲不是完美的时候。 Shim和Tahan表示编码的量子的方法比特甚至比超导量子比特更好。事实上，他们发现称为transmons或fluxmons的超导量子位可以单独调整，每个编码量子比特仅仅需要两个物理量子比特。更重要的是，编码逻辑门的时间和错误率并没有改变很多。举个例子来说，受控非门在半导体自旋中大概需要20对量子比特作用才能完成，Shim和Tahan表示相似的二量子比特门仅仅需要两个二量子比特脉冲就能实现，这意味着所有的量子比特逻辑门可以由快速的直流脉冲实现，而不需要依赖于微博激发的量子比特旋转。 文章的作者称他们的方案可以由目前的超导量子比特和控制方法实现，但是仍然存在一些开放性的问题，编码方案中，初始化量子比特可能是噪声，无处不在的“transmon”量子比特性能可能被新型的“fluxmon”或 “fluxonium”量子比特类型超过。 量子计算机必须保存外部干扰的量子比特一个计算进程的时间，尽管超导量子比特的质量发展很快（量子比特的生存期超过了100微秒，远远超过十年前的10纳秒），量子比特逻辑门错误率仍然受金属、绝缘体和整合这些设备的接口的损耗的限制。这些同样限制了提出的编码方案的性能，在这些基础设备问题上还有巨大的进步空间。 通往全面量子计算的道路上的一个关、关键目标是“容错”量子纠错的示范，在一个包含由许多物理量子比特的逻辑量子比特上重复纠错能够降低物理量子逻辑门的错误率。去除微波控制的需求和其他量子编码方案的优势，可以很容易地用超导量子比特实现逻辑量子比特，虽然作者相信这代表着进步，他们建议近距离关注自旋量子比特可以获得额外的发展进步
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  • 《系统成本证明了清洁能源组合中核的需求》
    • 来源专题：可再生能源
    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2019-10-08
    • 国际能源署发电分析负责人布伦特·万纳（Brent Wanner）描述了其5月份发布的清洁能源系统核电报告的调查结果。 “IEA是一个全能的，全技术的代理商，这意味着我们在比赛中没有马，”Wanner说。 “但那里有很多错误的信息，如果你向普通观众询问核电的贡献是什么，他们就不会接近正确的数字。” NEA负责核技术开发和经济的负责人Sama BilbaoyLeón在1月份发表了报告“脱碳成本：核能和可再生能源高额系统成本”的调查结果。 “需要所有的低碳燃料来帮助实现气候目标，但如果要为核电提供公平的竞争环境，就需要考虑可再生能源的系统成本，”她说。 “市场需要进行设计，以便发出信号，鼓励投资者投资低碳能源。” 他们与Qvist咨询公司总监Staffan Qvist就系统成本的信息联系在一起。他刚刚完成了一项关于瑞典电力系统的研究 - “由于其强大的水电部门，世界上最容易过渡到100％可再生能源的国家之一” - 该研究得出的结论是核能仍然是最低成本系统的组成部分。 （以及水电和风电等可再生能源），需要一种反映核电系统成本属性的市场设计。 “随着系统成本论证的确立，需要有一个市场设计，允许低碳电力生产商获得投资回报，以及降低新核项目加权平均资本成本[WACC]的政策，”他说，并补充说，这有效的潜在例子可能是英国提出的受监管资产基础（RAB）模型。 什么是系统成本？ 在其报告中，NEA表示系统成本的概念 - 在不确定和可变发电的情况下，总成本超过用电平方法计算的工厂水平成本之和 - 迄今为止“有点新奇”。与其姊妹机构IEA一起，它了解到，在未来的电力系统中，所有可用的低碳发电选择 - 核能，风能，太阳能光伏发电，水力发电，或许有一天，碳捕获的化石燃料，利用和封存 - 需要共同努力，以使各国能够以具有成本效益的方式实现其环境目标。 然而，就系统成本的衡量标准而言，VRE尚未与核电完全竞争。因此，具有成本效益的低碳系统可能包含相当大比例的VRE，至少在核能和水电等可调度的零碳技术中占有相当大的份额，并且可以提供一些剩余的燃气能力。增加了存储，需求侧管理和互连扩展的灵活性。 专注于核能 万纳指出，核电占全球发电量的10％，是目前世界上仅次于水电的第二大低碳电力来源。它的份额大于风能，生物能源和太阳能的总和。他说，过去50年来核电的使用避免了60亿吨二氧化碳的排放，并补充说，如果没有核能，二氧化碳排放量将增加20％。 “发达经济体的许多核电站在接近其原有的40年设计寿命结束时正面临退役。核寿命延长与新的太阳能和风能相比具有成本竞争力，并提供可调度的清洁电力来源。每千兆瓦的成本仅超过10亿美元，延长20年，并且每兆瓦时的平均成本约为50美元，在美国与新的燃气发电容量非常相似。欧盟和欧盟的情况更为强劲。日本。我们应该利用这种低成本的绿色电力来源，“他说。 他说，如果没有额外的寿命延长或新项目，发达经济体的核电容量到2040年将减少三分之二。 “我们需要提高政策制定者的认识，即如果存在自满情绪，那么存在潜在的风险，核能被排除在低碳解决方案之外。” 他说，发达经济体衰退核电的影响是，消费者的账单增加（到2030年增加15％，到2040年，在最依赖核电的国家增加30％）和更高的二氧化碳排放量（下一次）二十年，发电量将再增加40亿吨。 BilbaoyLeón强调了向清洁能源过渡方面缺乏进展。 “低碳能源去年提供了36％的发电量，这与20年前完全相同，尽管我们都认为清洁发电正在增长。这是因为我们允许我们的核电机组拒绝，“她说。 她指出，巴黎气候协议意味着目标为50 gCO2 / kWh，目的是将全球平均温度提高到2度以下。 “目前的电力碳强度为570 gCO2 / kWh，目标是50 gCO2 / kWh或更低。这是一个巨大的挑战，”她说。 “电力占全球二氧化碳排放量的40％，并将发挥关键作用。全球电力实际排放量需要下降73％，经合组织国家需要下降65％。” 实际的电力成本不仅应反映工厂的发电成本，例如混凝土，钢铁，燃料和发电厂的人力资源，还应反映电网级系统成本，这是不同发电形式对其造成的成本。她说，该系统为客户提供电力，以及社会和环境成本，如排放，空气质量和供应安全。 “总系统成本是工厂级发电成本和电网级系统成本的总和，主要是由于变量发电所固有的特性，”她说。 “我们的研究表明，在未来的能源市场中，我们将看到可再生能源的大量渗透，我们的系统将变得非常低效。” 它总是核的 Qvist将于今年秋季晚些时候发布一项关于瑞典未来低碳电力系统选择的全面新研究。据瑞典政府机构统计，核能是2018年最大的电力生产国，66 TWh，其次是水力发电（61 TWh）和风电（17 TWh）。 该国有八座核动力反应堆，但在2015年，政府决定提出有针对性的反核税，促使公用事业公司在2020年底关闭四座反应堆，其中两座已经退役。 Qvist说，此后反核税被取消，因此，国有的Vattenfall正在关闭目前有利可图的两座反应堆。 “我们正在积极退役每兆瓦时25至35欧元的公司产能，并建立每兆瓦时40至50欧元的可变生产。瑞典并没有彻底探索使Vattenfall能够投资长期的选择权。这些反应堆的运行期限是政策失败，我们需要解决这个问题。“ Qvist的研究通过20种不同的生产和储存技术选项以及排放限制来确定成本最优的发电组合。它使用由Massachussetts技术能源倡议开发的GenX代码的修改和扩展版本，并用于去年9月出版的碳限制世界核能的未来报告的建模。 Qvist说，最具成本效益的系统包括现有核的所有可能的长期运行以及所有检查的输入变化。 “如果您对太阳能的价格变得多么便宜，风能，电池，氢气存储，需求方面的灵活性等方面有多大的变化，它总是说'继续投资现有的核'。如果它能在一个方面做到这一点。最容易转换为100％可再生能源的系统，然后它可能会在我们可以看到的所有其他系统中完成。它总是选择长期运营，“他说。 “因此，需要提出一种反映系统成本核电属性的市场设计。” 关于新的核建设，他说：“随着系统成本论证和逻辑的建立，我们需要建议降低加权平均资本成本的政策。受监管的资产基础模型可以证明是一种前进的方式......在低WACC新核在几乎每个市场中占据最低总成本系统的很大份额。“ RAB模型 英国政府对RAB模型评估的公众咨询将于10月14日结束。该审查旨在通过让消费者通过能源账单预先支付来降低新核电厂项目的成本。迫切需要一个解决方案，因为核能被视为政府承诺到2050年将该国的碳排放量降至净零的重要部分。到2030年，英国八个现有核电厂中有七个将退役。 英国商业，能源和工业战略部核发电政策副主任克里斯鲍勃布里克表示，对该评估有很多兴趣，包括来自海外的评论。 “有一种真正的乐观气氛，”他说。 “我们在国际上得到了非常好的反馈;来自正在研究英国正在做什么的同事，以及这是否是一个可以在全球范围内推广的解决方案。”他补充说，这次磋商也引起了人们的兴趣，“不是通常与核项目有关的典型投资者”。 RAB模型不适用于目前正在英格兰萨默塞特的EDF Energy建造的Hinkley Point C，但适用于未来的工厂。 EDF能源公司与中国核能总公司共同计划了多达五个新建项目; NuGeneration（NuGen）;和地平线核电。 去年11月，东芝公司宣布取消其在Moorside的核新建项目，并将结束其子公司管理该项目NuGen。 Moorside场地的所有权归还给核退役管理局。 Bowbrick上周在2019年的研讨会上表示，政府正“考虑我们想对该网站做些什么，我们将在适当的时候做出决定。” 今年年初，Horizo??n的新建项目暂停，尽管日本日立的英国子公司在两个站点提供至少5.4 GWe新容量的计划取得了实质性进展 - 威尔士北部的Wylfa Newydd和Oldbury-on -Severn，位于英格兰西南部 - 通过部署Hitachi-GE的英国先进沸水反应堆。 Bowbrick表示，除了Moorside，包括Wylfa Newydd和Oldbury在内的其他专门用于发展核电站的站点仍由开发商拥有。
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