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问问科学家:用超导体建造量子计算机

时间:2019-03-22|栏目: 天文 • 物理 |点击:4

    我们将不定期编译推出,以方便广大物理学学生和爱好者了解一线物理学家的研究现状。本期采访的是纽约锡拉丘兹大学布里顿·普卢尔德(Britton Plourde),他研究的是用超导电路建造量子计算机。

    问问科学家:用超导体建造量子计算机

    图片来源:Amy Manley/Syracuse University

    布里顿·普卢尔德(Britton Plourde)从小就对电路感到着迷。在孩提时代,他酷爱设计并建造模型飞机,其过程就包括将许许多多电子元件用线连接起来。读研究生时,他转而用微米级超导材料制造更小更复杂的电路。如今,普卢尔德正在纽约锡拉丘兹大学领导一个研究团队,试图为量子计算机制造超导元器件。美国物理学会Physics网站记者来到了普卢尔德位于纽约雪城的实验室,在这里采访了他。

    你现在在研究什么?

    我目前的研究重点是量子比特(quantum bit,也称qubit):怎样制造它们,怎样更好地制造它们,以及怎样延长量子比特的寿命——也就是量子比特从量子叠加态衰变到经典态的时间。我还在尝试找出让数个量子比特彼此发生相互作用的方法,从而在数个量子比特间产生纠缠态。

    你的主要研究兴趣是超导量子比特,那它们到底是什么呢?

    它们是包含超导元器件的微制造电路,表现得就像有离散能级的“人造原子”。在电路,中两个不同的电激发就对应于量子比特的两种状态。

    有很多方法来实现量子比特,你为什么致力于利用超导体?

    就在我2000年在加州大学伯克利分校开始做博士后之前,日本的一个团队已经实现了第一个超导量子比特。当时,超导电路似乎是一个有趣的研究方向,但它们仅有一纳秒左右的寿命,离实际应用还很远。但是,理论上,利用类似半导体工业中的技术,可以把超导元器件可以集成到一个大型处理器中,这样可能就可以快速制造数十亿的超导电路。我们想要将相同的技术用于量子计算机,但在这之前必须搞清楚是否能从超导电路中得到稳定的量子态。早在2000年,人们还很怀疑这件事的可行性。

    那么现在呢?

    现在,我们已经达到了可以用超导电路建造一个小型量子处理器的阶段。用十个量子比特构造系统是可行的,或许还能比这个再多一点。更重要的是,从2000年以来,量子比特的寿命已经提高了5个量级,此外,科技的发展也带来了实现电路及控制技术的关键步骤,可以纠正量子错误,这对建造量子计算机来说至关重要。这是多么激动人心进步!

    我们现在能在超导量子计算机上运行什么运算?

    已经有研究者初步实现了几个量子算法,包括将15分解质因数为5和3。因数分解算法是促使科学家研究量子计算机的原始动力之一,因为目前为止还没有已知的经典算法可以高效地将大数分解为质因数的成绩。当数越来越大,计算时间就急速增加。如果一个数包含2000比特(600位),对它因数分解的时间会比宇宙年龄还长。一个量子计算机可以在大致一天内将这样一个大数分解,但是这个计算机将需要超过一百万量子比特,还不考虑其它要求,所以我们的路才刚刚开始。

    量子计算机还能做什么其他事吗?

    最近有很多人关注量子模拟——用一个量子计算机来模拟另一个量子系统,例如难以在传统计算机上数值模拟的复杂分子。这不需要近百万量子比特,只要数十个或数百个就可以完成。模拟计算可能是量子处理器取得突破的首个领域,它们执行得比经典方法更快。

    会不会在将来某一天,我们的笔记本电脑都变成了量子计算机?

    不会的。有一天每个人的办公桌上都有一台量子计算机,这是不可能的。而且量子计算机也并不是解决所有问题都比传统计算机快——这是一个普遍的误解。在很多问题上量子计算机更慢,或者根本没有使用的意义。你不可能在一个量子计算机上运行电子表格或写你的历史课学期论文。

    为什么2016年对于致力于量子计算的研究者来说是个好时机?

    该领域处于基础物理和前沿科技交叉处,因而异常激动人心。我们现在已经能够制造出人工量子系统,也能控制一个较大的系统,研究其中的量子力学基本特性,这很好。一些公司正在试图建造超导量子计算机,因此,在该领域获得博士学位的人自然会有很好的就业机会。

    撰文 凯瑟琳·赖特(Katherine Wright)

    翻译 余卉

    审校 丁家琦

    原文链接:https://physics.aps.org/articles/v9/29

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