用粒子加速器技術解決構建量子計算機中的令人煩惱的問題
2020-08-02 工程學習
超導射頻腔體（如此處所示）用於粒子加速器。它們還可以解決量子計算機成功開發面臨的最大問題之一：量子比特的去相干性。圖片提供：費米實驗室（Fermilab）裡達（Reidar Hahn）
去年，費米實驗室（Fermilab）的研究人員獲得了超過350萬美元的資助，這些資金用於研究新興的量子信息科學領域。該贈款資助的研究範圍廣泛，從構建和建模設備（可能用於量子計算機的開發）到使用超冷原子尋找暗物質。
Fermilab粒子物理學家Adam Lyon和計算機科學家Jim Kowalkowski對於他們的量子計算機項目，正在與Argonne國家實驗室的研究人員合作，他們將在高性能計算機上運行模擬。他們的工作將有助於確定也用於粒子加速器的稱為超導射頻腔的儀器能否解決量子計算機成功開發所面臨的最大問題之一：量子比特的退相干。
該項目的首席科學家之一裡昂說：「費米實驗室已經率先製造出可以在短距離內將粒子加速到極高程度的超導腔體。」 「事實證明，這直接適用於量子比特。」
在過去的幾十年中，該領域的研究人員一直致力於開發成功的量子計算設備。到目前為止，這很困難。這主要是因為量子計算機必須保持非常穩定的條件才能將量子位保持在稱為疊加的量子狀態。
疊合
古典計算機使用0和1（稱為位）的二進位系統來存儲和分析數據。八位組合在一起就構成了一個字節的數據，可以將其串在一起以編碼更多信息。（平均三分鐘的數字歌曲中大約有3180萬字節。）相比之下，量子計算機不受嚴格的二進位系統的限制。相反，它們在量子位系統上運行，每個量子位在計算過程中都可以呈現連續的狀態範圍。正如繞原子核運行的電子沒有離散的位置，而是一次佔據電子云中其軌道上的所有位置一樣，量子位可以保持0和1的疊加。
量子位可以是0和1的疊加，而經典位只能是一個或另一個。
由於任何給定的量子位都有兩種可能的狀態，所以一對將可以操縱的信息量加倍：2 2 =4。使用四個量子位，信息量增長到2 4 =16。隨著指數的增長，它僅需要300個糾纏的量子位來編碼比宇宙中存在的物質更多的信息。
平行位置
量子位不能以與位相同的方式表示數據。由於疊加的量子位同時為0和1，因此它們可以類似地同時表示給定問題的所有可能答案。這就是所謂的量子並行性，它是使量子計算機比傳統系統快得多的特性之一。
可以將經典計算機與量子計算機之間的區別與一種情況進行比較，在這種情況下，有一本書的某些頁面隨機以藍色墨水而不是黑色印刷。兩臺計算機的任務是確定每種顏色列印多少頁。
裡昂說：「一臺經典計算機會遍歷每一頁。」 每頁將被標記為一次，以黑色或藍色列印。「量子計算機可以一次瀏覽所有頁面，而不必順序瀏覽頁面。」
一旦計算完成，經典計算機將為您提供確定，離散的答案。如果這本書有三頁印刷成藍色，那就是您的答案。
「但是量子計算機本質上是概率性的，」科沃夫斯基說。
這意味著您獲取的數據不確定。在一本100頁的書中，來自量子計算機的數據將不只是3個。例如，它還可以為您提供3個藍頁的機會為1％或50個藍頁的機會為1％。
嘗試解釋此數據時出現一個明顯的問題。量子計算機可以使用並行量子位執行難以置信的快速計算，但是它只吐出機率，這當然不是很有用–除非，正確的答案可以以更高的概率給出。
幹擾
考慮兩個互相靠近的水浪。當它們相遇時，它們可能會產生相長幹涉，從而產生波峰更高的一波。否則，它們可能會相消地相互幹擾，互相抵消，因此不再需要談論任何浪潮。量子位狀態也可以像波動一樣發揮作用，表現出相同的幹擾模式，研究人員可以利用此屬性來確定最有可能解決所遇到問題的方法。
當波浪相遇時，它們可能會產生相長幹涉，從而產生一個波峰更高的波浪。
裡昂說：「如果可以在正確答案和錯誤答案之間建立幹擾，則可以增加正確答案彈出的可能性大於錯誤答案的可能性。」 「您正在嘗試找到一種量子方式，以使正確的答案具有建設性地幹涉，而錯誤的答案則具有破壞性。」
在量子計算機上運行計算時，同一計算將運行多次，並且量子位之間會相互幹擾。結果是分布曲線，其中正確答案是最頻繁的響應。
波浪也可能造成破壞性的幹擾，彼此抵消，因此不再有波浪可言。
聆聽噪音之上的信號
在過去的五年中，大學，政府機構和大型公司的研究人員在開發有用的量子計算機方面取得了令人鼓舞的進步。去年，谷歌宣布，它已經在其名為Sycamore的量子處理器上執行了計算，而所需的時間只是世界上最大的超級計算機完成相同任務的時間的一小部分。
然而，我們今天擁有的量子設備仍是原型，類似於1940年代的第一臺大型真空管計算機。
裡昂說：「我們現在擁有的機器根本無法擴大規模。」
在量子計算機變得可行和具有競爭力之前，研究人員仍然需要克服一些障礙。最大的方法之一是找到一種方法來保持微妙的量子位狀態隔離足夠長的時間，以使它們能夠執行計算。
量子計算機運行時，需要將其放置在大冰箱中（如此處所示），以將設備冷卻至比絕對零值還高的程度。這樣做是為了防止來自周圍環境的能量進入機器。圖片提供：費米實驗室（Fermilab）裡達（Reidar Hahn）
如果來自系統外部的雜散光子（光的粒子）與量子比特相互作用，那麼它的波將幹擾量子比特的疊加，從本質上將計算結果變成一個混亂的混亂-這個過程稱為消相干。冰箱在將不必要的交互作用降到最低方面做得不錯，但是它們只能做到一秒鐘。
裡昂說：「量子系統喜歡被隔離，而且沒有簡單的方法可以做到這一點。」
Lyon和Kowalkowski的仿真工作正是在其中進行的。如果量子位不能保持足夠冷的狀態來維持狀態的糾纏疊加，那麼也許可以以降低噪聲的方式構造設備本身。
事實證明，通常用於推動加速器中的粒子束的由鈮製成的超導腔可能是解決方案。這些腔需要非常精確地構造並在非常低的溫度下工作，以有效地傳播加速粒子束的無線電波。研究人員認為，通過將量子處理器放置在這些空腔中，量子位將能夠不受幹擾地交互幾秒鐘，而不是當前的毫秒級記錄，從而使它們有足夠的時間執行複雜的計算。
量子比特有幾種不同的變體。它們可以通過將離子捕獲在磁場中或通過使用被晶體中自然形成的碳晶格包圍的氮原子來創建。Fermilab和Argonne的研究將集中在光子製成的量子比特上。
裡昂和他的團隊已經完成了模擬射頻腔性能的工作。通過在阿貢國家實驗室的高性能計算機（稱為HPC）上進行仿真，他們可以預測光子量子位在這種超低噪聲環境中可以相互作用多長時間，並可以解決任何意外相互作用。
世界各地的研究人員已使用用於臺式計算機的開源軟體來模擬量子力學的不同應用，從而為開發人員提供了如何將結果整合到技術中的藍圖。但是，這些程序的範圍受個人計算機可用內存量的限制。為了模擬多個量子位的指數縮放，研究人員必須使用HPC。
「從一個臺式機轉到HPC，您的速度可能要快10,000倍，」該項目的合作夥伴Argonne國家實驗室的研究員Matthew Otten說。
一旦團隊完成了仿真，費米實驗室的研究人員將使用這些結果來幫助改進和測試用作計算設備的腔體。
費米實驗室量子技術副負責人埃裡克·霍蘭德（Eric Holland）表示：「如果我們建立了一個仿真框架，我們可以就存儲量子信息的最佳方法和操縱它的最佳方法提出針對性很強的問題。」 「我們可以用它來指導我們為量子技術開發的東西。」
這項工作得到了能源部科學辦公室的支持。
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