Google在通用量子计算领域取得新进展
Google的研究者们将通用量子计算机和模拟量子计算机的结构结合在一起，首次研制出融合了两种最好量子计算类型的原型机。研究团队借助绝热量子计算机将模拟量子计算数字化，向着在计算领域无所不能的通用量子计算机又迈进了一步。这项研究成果和一些更加复杂的实际应用密切相关，科学家们希望未来的量子计算机可以帮助人们研制新药或是增进人们对长时间尺度天气现象的理解。
理论上讲，通用型量子计算机在计算速度方面比之经典计算机有指数级增长。世界上许多研究小组和公司都加入了研制通用性量子计算机的竞赛，包括Google，IBM和D-Wave。不同的小组采用的思路不同，但是他们的目的都是一样的。
进展缓慢
目前为止，D-Wave和Google只是关注“量子退火算法”，这是一种量子算法。它虽然不是通用性算法，但是可以用来构建绝热量子计算机，并解决一些特定的问题，包括找到一个复杂函数的全局最小值。退火算法依赖于“量子隧穿效应”，它的主要思想是让一个简单的初态慢慢地演化，最终得到我们想要的状态。这个过程涉及到将一个问题编码为具有特定相互作用的量子比特态的。这些量子比特是一些态的叠加态，随后我们让系统逐渐演化，并确保所有比特处于最低的能量或者说处于基态上面，直到找到系统的全局最小值。
虽然说量子退火算法对于一些问题特别有效，但是它并不是一个能满足多数科学家的量子计算技术。绝热量子计算机备受噪声和错误的困扰，因为它在计算过程中不能进行修正。在系统规模很大或是错误积累的时候，这将是一个非常严重的问题。与此相反，许多通用性量子计算机在研制过程中的一个关键方面就是它们的数字逻辑门有一定的容错性，并且在计算过程中可以进行修正。
数字时代
绝热量子计算的另一个问题是它受到相互作用的限制——一个量子比特只能和少数其他的量子比特发生相互作用。为了提高计算速度，人们总希望所有的量子比特之间都可以同时发生各种相互作用。但这是理想状态，在实际的复杂计算中，精确的保持这些相互作用几乎是不可能的。但是减少不同量子比特之间的联系，对系统的计算性能会有很大的影响。
为了解决这个困难，加州圣巴巴拉Google实验室的John Martinis，Rami Barends，以及他们在加州大学圣巴巴拉分校和在西班牙巴斯克地区大学的合作者们向传统的模拟量子计算机设备中加入了数字成分。通过将绝热量子计算数字化，他们在计算进行的过程中更好的控制相互作用并修正误差。
在目前的工作中，这些Google的研究者们革新了他们之前设计制造的九量子比特超导芯片，它们之间的相互作用通过相连的逻辑门来控制。研究小组测试了一排联装的自旋耦合的磁性原子。这些原子可以呈铁磁性或者反铁磁性排列，这在磁性化学中众所周知。研究者们通过调整脉冲信号的频率使之与特定的量子比特形成共振，以实现对各个量子比特单独作用。这一脉冲信号的频率在4 GHz和5.5GHz之间变动。“在我们的架构中，频率是可以控制的，就像你用收音机时调台一样”Barend解释说，他们可以把脉冲频率从一个量子比特的固有频率调整为另一个量子比特的固有频率。“通过将量子比特的频率拉近或拉远，它们之间的相互作用会随之开启或者关闭。量子信息的交换就像是一场接力赛一样，运动员们在相遇的时候传递接力棒”。他们甚至还可以调整量子比特使它处于平行和反平行叠加态。
扩展应用
尽管这个问题经典计算机也能很容易解决，但是Google小组的数字化方法可以适用于任何一种相互作用，而不仅限于量子比特之间的关联。Barends告诉physicsworld.com：“作为一个例子来说，我们应用了，这种相互作用类型是不可能用当今的模拟系统处理的。这一点十分重要，因为，比如在量子化学中，相互作用电子间就有非随机相互作用。”
同时，数字绝热计算机与现有的量子误差纠正机制完全兼容。在一个模拟系统中，每一个量子比特都会带给系统更多的噪声和误差。Barends对此表示：“由于许多令人感兴趣的应用都需要许多的自由度，在模拟系统上处理这些问题十分困难。但是有了误差纠正机制，数字化系统原则上可以扩展到任意多的量子比特上。”虽然说现在尚且没有大规模的量子误差纠正硬件，但是这是世界上很多实验室努力的方向。
这项研究被刊登在了《自然》杂志上。
通用芯片：Google超导量子芯片
翻译：赵博文
审稿：张程
Google在通用量子计算领域取得新进展
特别声明：本文转载仅仅是出于科普传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或其它相关事宜，请与我们接洽。
[责任编辑：系统管理员]
留言