近日,來(lái)自浪潮和中科院等多家科研單位的中國(guó)科學(xué)家聯(lián)合發(fā)表關(guān)于最新量子計(jì)算研究的論文,提出了以半導(dǎo)體量子環(huán)構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的理論設(shè)想,提供了一種新的可行的量子比特實(shí)現(xiàn)方式。
該論文已經(jīng)被英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)的雜志Phys. Chem. Chem. Phys.收錄并予以刊發(fā)(Phys. Chem. Chem. Phys., 2017,19, 30048-30054 )。
該論文已經(jīng)被英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)的雜志Phys. Chem. Chem. Phys.收錄并予以刊發(fā)(Phys. Chem. Chem. Phys., 2017,19, 30048-30054 )。
關(guān)于量子計(jì)算機(jī)
量子計(jì)算機(jī)是通過(guò)疊加和糾纏的量子現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算力的增長(zhǎng)。量子疊加使量子比特能夠同時(shí)具有0和1的數(shù)值,可進(jìn)行“同步計(jì)算”;量子糾纏使分處兩地的兩個(gè)量子比特能共享量子態(tài),創(chuàng)造出超疊加效應(yīng):每增加一個(gè)量子比特,運(yùn)算性能就翻一倍。理論上,擁有60個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可瞬間實(shí)現(xiàn)百億億次計(jì)算(E級(jí)計(jì)算)。
作為信息載體的量子比特的實(shí)現(xiàn)方式,是量子計(jì)算機(jī)的研究中一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。優(yōu)秀的量子比特實(shí)現(xiàn)方式一般需要滿足幾項(xiàng)特定的要求,如較為容易的物理載體的實(shí)現(xiàn)方式、容易的初態(tài)制備和操作、較長(zhǎng)的相干時(shí)間等等。
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目前,量子比特的實(shí)現(xiàn)方式主要有光子、離子阱、超導(dǎo)環(huán)、半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)等,基于這些不同物理載體實(shí)現(xiàn)的量子計(jì)算機(jī)各有優(yōu)劣,如光子相干時(shí)間較長(zhǎng)但難以觀測(cè)和控制,超導(dǎo)環(huán)易于控制但相干時(shí)間極短,而離子阱雖然相干時(shí)間較長(zhǎng)且易于控制,但由于需要頻繁的激光操作,因此效率不高。
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2017年5月,IBM發(fā)布16個(gè)量子比特的系統(tǒng),半年之后即發(fā)布新型的20位量子比特的量子計(jì)算機(jī),并宣稱已成功開(kāi)發(fā)出一臺(tái)50位量子比特的原型機(jī)。
谷歌量子硬件負(fù)責(zé)人約翰·馬丁尼斯(John Martinis)則在10月透露谷歌已擁有22個(gè)量子比特的芯片,并且計(jì)劃在明年發(fā)布49個(gè)量子比特的芯片。
我國(guó)也在5月初發(fā)布了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī),成功實(shí)現(xiàn)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏,預(yù)計(jì)年底可以實(shí)現(xiàn)操縱20個(gè)量子比特。
谷歌量子硬件負(fù)責(zé)人約翰·馬丁尼斯(John Martinis)則在10月透露谷歌已擁有22個(gè)量子比特的芯片,并且計(jì)劃在明年發(fā)布49個(gè)量子比特的芯片。
我國(guó)也在5月初發(fā)布了世界首臺(tái)超越早期經(jīng)典計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算機(jī),成功實(shí)現(xiàn)了10個(gè)超導(dǎo)量子比特糾纏,預(yù)計(jì)年底可以實(shí)現(xiàn)操縱20個(gè)量子比特。
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此次浪潮和中國(guó)科學(xué)院微電子研究所微電子器件與集成技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、重慶郵電大學(xué)理學(xué)院、廈門(mén)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院半導(dǎo)體光子學(xué)研究中心的相關(guān)研究人員從理論上提出的半導(dǎo)體量子環(huán)設(shè)想,可使用半導(dǎo)體量子多電子環(huán)中電子自旋軌道耦合調(diào)控的手段,通過(guò)外場(chǎng)或電子數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)的有效調(diào)控,并通過(guò)光學(xué)手段很容易探測(cè)。
更重要的是,基于半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制則可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝,從而可以較為平滑地從經(jīng)典的半導(dǎo)體芯片過(guò)渡到量子芯片。
更重要的是,基于半導(dǎo)體量子結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)機(jī)制則可以利用現(xiàn)有的半導(dǎo)體工藝,從而可以較為平滑地從經(jīng)典的半導(dǎo)體芯片過(guò)渡到量子芯片。
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本論文的研究方法使用了較為嚴(yán)格和精確的理論模擬方法,但計(jì)算量巨大,如3個(gè)電子態(tài)的物理計(jì)算就需要約30億億次雙精度浮點(diǎn)計(jì)算量,6個(gè)電子態(tài)的計(jì)算量更是增長(zhǎng)100~1000倍,因此模擬代碼的實(shí)現(xiàn)在一開(kāi)始就考慮到了大規(guī)模并行擴(kuò)展和優(yōu)化,可實(shí)現(xiàn)對(duì)十?dāng)?shù)個(gè)電子態(tài)的模擬計(jì)算。
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