量子计算机的基本元素被创造了出来 日期: 2017年12月11日 来源: 康斯坦茨大学 简介: 物理学家创造了一个稳定的量子门作为量子计算机的基本元素。 【美国华人网综合报道】量子计算机之路的里程碑: 康斯坦茨大学、普林斯顿大学和马里兰大学的科学家们为用硅制成的两量子比特系统开发了一个稳定的量子门。量子门能够执行量子计算机的所有必要的基本操作。硅中单个电子的电子自旋被用作基本存储单元(“量子比特”)。该研究结果在2017年12月7日的科学期刊《科学》网络版上发表。 需要好几年的时间，第一批量子计算机在百货公司才会出现。然而，即使在今天，量子计算机也将标志着计算机技术的一次飞跃。量子计算机将会更有效率，并且能够解决当前计算机遇到的问题。然而，量子计算机对外界干扰的反应要比传统的机器灵敏得多。因此，一个主要目标是创造稳定的“量子门”——量子计算机的基本“构造块”。康斯坦茨大学、普林斯顿大学和马里兰大学的科学家们成功地为两量子比特系统创造了稳定的量子门。他们的量子门利用硅中的单个电子来存储信息(“量子比特”)，他们可以精确地控制和读出两个量子比特的相互作用。这样的实验包括了量子计算机的所有必要的基本操作。 从电子到量子比特 就像古典数字计算机使用“比特”一样，以0或1作为所有计算过程的基本单位，量子计算机也需要一个基本的存储单元:量子比特。不同之处在于，量子比特并不局限于两个状态(0和1)，而是可以同时存在于多个状态，因此实现量子系统比一个简单的数字系统要复杂得多。研究人员已经提出了一些技术上实现量子比特的想法，例如使用离子或超导系统。然而，康斯坦茨、普林斯顿和马里兰的研究人员使用电子自旋，即单个电子的固有角动量，在半导体材料硅中作为量子比特的基础。电子的旋转方向与数字位的0和1值相对应，但在它的精确量子态中，电子能容纳的信息比简单的0或1更大。 因此，研究人员的第一个成就就是从一个硅片上的数十亿个原子中提取出一个电子。“这是我们普林斯顿大学的同事们的非凡成就。” 物理学教授Guido Burkard说，他协调了康斯坦茨的理论研究。研究人员利用电磁吸引和排斥的结合，将单个电子与电子束分开。分离的电子排列整齐，每一个都嵌入在一个“空心”的地方，它们处于漂浮的状态中。  下一个挑战是建立一个系统来控制单个电子的角动量。Konstanz的物理学家Guido Burkard和Maximilian Russ开发了以下方法:一个纳米电极用于每个电子。利用磁场梯度，物理学家可以建立一个位置依赖的磁场，电子可以被单独访问，从而使研究人员能够控制电子的角动量。通过这种方式，他们创建了稳定的单量子比特系统，以电子自旋的形式存储和读出信息。 迈向双量子比特系统的步骤 然而，一个量子比特不足以产生量子计算机的基本交换系统。要做到这一点，需要两个量子比特。Konstanz研究人员说两量子比特系统的关键步骤是将两个电子的状态连接起来。这样的连接使得可以构造基本的交换系统，使量子计算机的所有基本操作都能被执行。例如，系统可以以这样一种方式进行编程，只有当电子的邻近电子以预定的方向旋转时，电子才会旋转。 这意味着康斯坦茨的研究人员必须建立一个稳定的系统来连接两个独立电子的自旋。“这是我们工作中最重要也是最困难的部分，” Guido Burkard说，他与团队成员Maximilian Russ一起设计并策划了该方法。他们开发了一个交换系统，在相互依赖关系中协调两个电子的角动量。一个额外的纳米电极被放置在两个“空心”之间，其中硅电子是浮动的。这个电极控制着两个电子自旋之间的耦合。通过这种方法，物理学家们已经实现了量子计算机的一个稳定和实用的基本处理单元。单量子比特的保真度在99%以上，在两个相互作用的量子比特上的Fidelities约为80%，比之前的尝试更稳定，也更精确。 硅——一种“稳定的材料” 量子门的基材是硅。“一种只有少量核自旋的磁性非常稳定的材料。” Guido Burkard总结了硅的优点。重要的是，所选材料的原子核不会有太多的自旋，即固有的角动量，这可能会干扰量子位。硅的原子核具有极低的自旋活性，因此它是一种特别合适的材料。另一个优点是:硅是半导体技术的标准材料，因此得到了很好的研究。因此，科学家们可以从多年的材料经验中获益。 商业转载请联系[email protected],非商业转载请注明转自FuninUSA。 微信公众号搜索" FuninUSA "加关注，每日滚动更新美国市场讯息:金融、零售、批发。推荐关注！【微信扫描下图可直接关注】
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