量子计算机核心元件终于面世!不同于传统三态的新物态是关键!

2020-06-15 14:38上一篇:下城区教育局与北京钟南山创新公益基金会合作签约 |下一篇:《曾国藩传》一代大儒的自我修养,看懂这5句话,让你不平凡!

导语:我们早已对量子计算的概念耳熟能详,并且随着相关技术的不断发展,人类不仅可以通过多种方式制造量子位,还能越发熟练地将很多量子位串在一起。但是若要将量子位的尺寸缩小到一定程度,以至于能将成千上万的量子位挤入一个足够小的空间,这还真的是一个不小的挑战。不过,去年荣获诺贝尔物理学奖的一个发现,为这个难题献上了一个合理解答。

就在去年,三位英国物理学家发现:在某些材料保持内部绝缘的特定情况下,电子竟然可以轻易地沿着材料的表面传导,并且这种材料可以在各态之间转换而不破坏其“对称性”的性质,就像水原子重新排列形成冰或水蒸气一样。正因为他们在超导体和超流体方面的工作与贡献,他们被授予了2016年的诺贝尔物理学奖。

图|2016诺贝尔物理学奖得主,从左至右依次为戴维·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨

在量子计算领域,随着电子元器件被缩小到近乎原子尺度,研究电子在不同维度上移动的方式就变得尤为重要。正因如此,他们的发现第一次有了实际的应用——通过他们的理论可以制成拓扑绝缘体,从而将电子元件缩小到一定的尺寸。这将很大程度地改善量子计算机的规模以使其发挥重大作用。

悉尼大学物理学家、微软Station Q(位于加州大学圣芭芭拉分校的微软量子研究所)的总监David Reilly说:“即使我们今天能制造出数以百万计的量子位,我们也不清楚是否有传统技术能操控它们。要想将按比例增大的量子计算机付诸实现,就需要在量子与经典的衔接层面上发明新的器件和技术。”

能实现这样要求的一种设备被称为循环器,这就像电信号的回旋交叉路,能确保信息头只在一个方向上。

最近,悉尼大学和微软的一个联合研究小组在与美国斯坦福大学的合作中,利用去年被发现的拓扑绝缘体这种新物态,成功地将一个循环器缩小到了原先的1000分之一,这种硬件的最小尺度版本是可以拿在手掌中的。

科学家已经表明,由特定的拓扑绝缘体制成的磁化晶片也可以达成上述要求,并且它也只有现有元件的千分之一倍大小。该研究的主要作者Alice Mahoney说:“这种紧凑型循环器可以在各种量子硬件平台上兼容,而不必考虑所用的是何种特定量子系统。”量子计算机的规模有望出现重大改观。

图|本研究主要作者,博士候选人Alice Mahoney,于悉尼纳米科学中心量子科学实验室。( 图片由悉尼大学提供)

在量子计算的许多方面,我们仍停留在一种尴尬的“真空阶段”,尽管实际应用还很有限,但量子计算前景依旧光明。如果研究人员继续保持这样的进步,那么不久之后,我们就会带给你关于量子计算机实现一系列重大突破的更多积极消息,这会让迄今为止最好的超级计算机都黯然失色。