推動量子光子學發展，離量子計算機的實現又將更進一步！

2020-10-18 博科園

量子計算機使用量子力學的基本原理，來潛在地加快解決複雜計算的過程。假設你需要執行在電話簿中搜索特定號碼的任務，經典計算機將搜索電話簿的每一行，直到找到匹配為止。量子計算機可以通過同時評估每一條線路同時搜索整個電話簿，並以更快的速度返回結果。速度上的差異是由於計算機處理信息的基本單元，在經典計算機中，基本單位稱為位，表示0或1的電脈衝或光脈衝。量子計算機的基本單位是量子位，它可以同時表示0和1的許多值組合。

正是這種特性使得量子計算機可以加快計算速度，量子比特的缺點是它們存在於脆弱的量子態中，容易受到環境噪聲的影響，例如溫度的變化。因此，在受控環境中生成和管理量子位對研究人員提出了重大挑戰。加州大學聖巴巴拉分校的工程師Galan Moody是電氣和計算機工程學助理教授，他提出了一種解決方案，以克服現有量子計算原型使用光編碼和處理信息的低效率和性能。光學系統之所以具有吸引力，是因為它們在相同物理框架中自然地將量子計算和網絡連接起來。

然而，現有技術仍然需要晶片外的光學操作，這大大降低了效率、性能和可擴展性。在他的項目「用於全晶片的異構III-V/矽光子學：線性光學量子計算」中，Moody的目標是創建一個光學量子計算平臺，其中所有基本組件都集成到一個單一的半導體晶片上。集成電子電路推動了經典計算領域的革命性進步，目標是創造出對量子計算具有同樣影響的集成光子電路。Moody今年秋天加入了UCSB工程學院，此前他在國家標準與技術研究所擔任博士後研究員和研究科學家六年。

這可能促使效率和處理速度的顯著提高，並使使用光處理和傳輸信息的全新方法成為可能。研究項目現在得到了美國空軍的大力支持。Moody是美國空軍科學研究辦公室2019年青年調查員獎入選的40名早期職業科學家之一。獲獎者將在三年內獲得45萬美元，以支持他們的研究工作。該項目旨在促進年輕科學家的研究，支持空軍控制和最大限度地利用空氣、空間和網絡空間的任務，以及科學和工程方面的相關挑戰。為了開發一個全電的、全晶片的量子光子平臺，Moody建議整合為不同平臺和應用開發的三項技術。

這些部件是電驅動的量子點單光子源，用於光學操作的矽基光子學，以及超導納米線單光子探測器。使用物理模型來指導設備的設計和製造，量子光譜學將讓我們洞察材料特性和噪聲源，晶片上的光學幹涉儀將使我們能夠進行測量，從而提高材料純度，監控光源並執行計算。最終希望更好地理解和利用量子力學可以為計算和網絡提供的任何優勢。這項新技術還可能在量子光源等領域產生變革性影響，用於安全通信，以及減少雷射和LED等經典光子器件的尺寸、重量和功耗。

博科園｜研究/來自：加利福尼亞大學聖塔芭芭拉分校

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 捕獲光子的新理論,旨在推動量子計算機發展!
    使用光粒子(光子)而不是電子來傳輸和處理數據的量子計算機，有望開創一個研究的新時代，在這個時代，實現救命藥物和新技術所需的時間將大大縮短。光子是量子計算很有希望的候選者，因為它們可以在不丟失信息的情況下長距離傳播，但當它們存儲在物質中時，就會變得脆弱，易受退相干影響。
  • 實現「量子霸權」：了不起的「九章」計算機
    在「九章」中使用的量子載體為光子，光子除了亮和滅兩種形態以外，還存在不同的偏振態，因此，一個光子能夠表達的不僅是0和1兩種狀態，含包括兩者組合疊加的多樣結果。粒子的使用使得量子計算機的運算速度能夠突破電路性能的限制，得到了極大程度的提升。利用量子天然具備的疊加性，量子計算機得以施展並行計算的能力。
  • 實現「量子霸權」:了不起的「九章」計算機
    普通計算機通過電路的開與關來進行計算，單位信息比特只有1和0兩種形式，一些更複雜的運算操作則是通過多位信息的邏輯運算實現的。而量子計算機使用粒子的狀態作為計算形式，由於粒子能夠同時處於多種狀態，因此量子計算機的單個比特可以承載更多的信息。
  • 光子、量子計算機的研發,運算速度超乎想像,並將投入商用
    你可能不知道，一種比現在的超級計算機強上百倍之餘，這就是光子計算機。這個研發方向起源於20世紀60年代雷射技術，科學家們將提升計算機的運算速度和容量寄託於光子計算機，根據多年的研究光用於儲存數據的表現確實不俗，還有基宇光子技術的彩色雷射複印和全息圖像。
  • 液體量子光子學
    對於致力於研究可以在傳統電子學器件尺寸下控制光行為的高速光學裝置的研究者來說，這項發現以及金屬納米結構加工工藝的飛速發展大大激發了他們對等離體子系統（plasmonic systems）的興趣。 在等離體子的研究中，德魯德-洛倫茲模型（Drude-Lorentz model）取代洛倫茲模型，得到了廣泛應用。
  • 擴大量子晶片規模：MIT工程師將光子學與「人工原子」連接起來
    圖片來源：Noel H Wan麻省理工學院的工程師開發了一種混合工藝，將光子學與「人造原子」連接起來，以生產出同類同類最大的量子晶片。麻省理工學院電氣工程與計算機科學系副教授Dirk Englund說，這項成就「標誌著可伸縮量子處理器領域的轉折點」。他和他的同事指出，建造量子計算機將需要數百萬個量子處理器，這項新的研究證明了擴大處理器生產規模的可行方法。
  • 量子計算機控制系統問世,「量子霸權」仍任重道遠
    儘管到目前為止，全球第一臺能夠實用的量子計算機離面世還很遠，但作為當前國際學界的研究熱點領域，量子計算機的控制系統是一大技術難點，不但成本昂貴，而且功能冗餘、兼容性和集成度都較差。據郭光燦院士介紹，這套控制系統的基本功能是提供量子晶片運行所需的關鍵信號，並負責量子晶片傳回信息的處理，執行對量子電腦程式的編譯。
  • 國產量子計算機發布，量子計算離尋常百姓有多遠
    今天源自中國科技大學的本源量子發布了國內首個超導量子計算雲平臺，取名叫做「悟源」。其搭載了6個量子比特的超導量子處理器。現已實現工程化的量子計算機原型，可提供真實的量子計算服務。據相關報導，目前全球能夠提供真實量子計算機服務的公司僅有5家。現在本源量子超導量子計算雲平臺躋身，突破格局。
  • 我國實現「量子霸權」裡程碑:自主研製量子計算機 「九章」問世
    來自中國科大的消息顯示，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等組成的研究團隊與中科院上海微系統所、國家並行計算機工程技術研究中心合作，構建了76個光子的量子計算原型機「九章」，實現了具有實用前景的「高斯玻色取樣」任務的快速求解。
  • 量子電路壓縮新方法:有望提前實現商用量子計算機
    量子計算機遠未達到商業現實，所謂的「量子優勢」，即量子計算機的計算能力比傳統計算機快很多倍，實際上是在一個被稱為「嘈雜的中級量子技術」基礎上實現的。NISQ設備將成為探索多體量子物理學的有用工具，並可能具有其他有用的應用程式，但是100量子位的量子計算機不會立即改變世界，我們應該將其視為邁向更強大功能的重要一步未來的量子技術。問題在於，NISQ設備易於在運行過程中累積許多錯誤。為了在現實世界中應用量子優勢，需要設計一種具有高容錯性的、可全面運行的大規模量子計算機。
  • 未來暢想:如何實現100萬個量子比特的糾纏和量子計算
    人類已經歷經了「第一次量子革命」，在這裡，相比量子糾纏來說不那麼奇異的量子現象（例如，離散能量、隧穿效應、疊加效應和玻色凝聚等）為人類催生了一系列新技術（例如，電晶體、電子顯微鏡和雷射器等），這些技術作為主要推動力又繼而推動了計算機、GPS和網際網路等的發展，所有的政治家今天也可以看到它們每一項的價值是至少數十萬億美元級別的。
  • 未來暢想：如何實現100萬個量子比特的糾纏和量子計算
    人類已經歷經了「第一次量子革命」，在這裡，相比量子糾纏來說不那麼奇異的量子現象（例如，離散能量、隧穿效應、疊加效應和玻色凝聚等）為人類催生了一系列新技術（例如，電晶體、電子顯微鏡和雷射器等），這些技術作為主要推動力又繼而推動了計算機、GPS和網際網路等的發展，所有的政治家今天也可以看到它們每一項的價值是至少數十萬億美元級別的。
  • 我國量子計算機實現算力全球第一!
    2020年12月4日，中國科學技術大學宣布該校潘建偉等人成功構建76個光子的量子計算原型機「九章」，求解數學算法高斯玻色取樣只需200秒，而目前世界最快的超級計算機要用6億年，200秒只是短短一瞬，6億年早已是滄海桑田。這一突破使中國成為全球第二個實現「量子優越性」的國家。
  • 量子電路壓縮新方法：有望提前實現商用量子計算機
    量子計算機遠未達到商業現實，所謂的「量子優勢」，即量子計算機的計算能力比傳統計算機快很多倍，實際上是在一個被稱為「嘈雜的中級量子技術」基礎上實現的。NISQ設備將成為探索多體量子物理學的有用工具，並可能具有其他有用的應用程式，但是100量子位的量子計算機不會立即改變世界，我們應該將其視為邁向更強大功能的重要一步未來的量子技術。
  • 量子計算與量子計算機進展隨議
    要注意的是，量子體系有很多種，目前領域內普遍關注的量子計算實現方式有超冷原子、離子阱、光子、超導量子比特、半導體量子點、拓撲量子計算、N-V色心等，讀者有時間也可以自行了解其具體含義。量子態隱形傳輸是基於量子糾纏態的分發與量子聯合測量，實現信息傳輸，可以實現任意遠距離的量子密鑰分發。目前從報導看，中國的量子通信技術有很大進展，但由於很難看到具體的技術資料，源於報導隻言片語的相關信息，很難推斷出大眾關心的產業化應用時間表。量子計算範圍比較廣，泛指使用量子力學原理進行計算的所有技術，其中除了量子計算機之外，還有在傳統計算機上的模擬量子計算，以及量子計算模擬晶片等。
  • 上海交大光量子晶片實現二維空間的連續量子行走,中國光量子計算或將成為量子霸權強力候選者
    該團隊使用飛秒雷射直寫技術，製備了節點數為 49×49 的二維光量子計算晶片，這對於推動量子模擬機的發展，解決特定棘手問題有著重要的意義。正是這種目前世界最大規模的光量子計算晶片，使得真正空間二維自由演化的量子行走得以在實驗中首次實現，並將促進未來更多以量子行走為內核的量子算法的實現。在光量子計算領域，中國不需要喊彎道超車這個爛梗，而是早已經把競爭者遠遠拋在腦後。
  • 揭秘中國量子計算機「嬰兒」:製造連上帝都無法區分的光子
    量子計算所依據的原理是微觀世界最詭異的量子糾纏現象。對古人來說，現代電子技術如同巫術，而開啟未來科技引擎的量子計算在當今世人眼中又何嘗不是。製造上帝無法區分的光子這臺初具雛形的光量子計算機的研製者之一、中國科學技術大學年僅34歲的陸朝陽教授留著寸頭短髮，眼鏡片藏不住眼中露出的聰慧，人們稱他是操縱光子的「巫師」。中國量子計算機發展路線圖。
  • 世界首臺光子量子計算機 已在雲平臺上使用
    基於光子學的量子計算機相對於基於電子的量子計算機具有關鍵的優勢。為了從這些優勢中獲益，量子計算初創公司Xanadu首次在雲端公開了光子量子計算機。基於光子學的量子計算機相對於基於電子的量子計算機具有關鍵的優勢。為了從這些優勢中獲益，量子計算初創公司Xanadu首次在雲端公開了光子量子計算機。
  • 比量子計算機穩定:中國科學家研製出新型可擴展光子計算機
    答案是當然知道，之前說了，谷歌這篇論文是抄襲論文，因為其中關於量子計算機的模型建設和計算部分，根本就是抄襲中國國防大學發表的關於量子計算機的相關論文。雖然我國現在非常重視量子計算機方面的發展，但是重視歸重視，中國人可沒有在一棵樹上吊死的習慣。中國人講究的是「天涯何處無芳草」，啊，不，是「雞蛋不放在一個籃子裡」，以及「兩手抓，兩手都要硬」。
  • 世紀之光——量子計算機
    量子力學主要以「新材料」推動著社會技術的發展，最成功的例子就是半導體領域的計算機，現在的材料學、物理學、核物理學、化學的理論基礎還都是量子力學，從這也可見貢獻之大。但是呢，量子理論卻很少拿來直接使用，不然我們的生活會更精彩：瞬移、穿牆這些都不是夢。