路漫漫其修远兮分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zhpd55 追求科学,勇于探索,苦海无涯,愿作小舟。

博文

在量子计算飞跃中,硅量子位建立了长距离关系

已有 933 次阅读 2019-12-26 21:44 |个人分类:新科技|系统分类:博客资讯| 硅芯片, 量子计算机, 量子位

在量子计算飞跃中,硅量子位建立了长距离关系

诸平

据美国普林斯顿大学(Princeton University20191225日提供的消息,普林斯顿大学的研究人员在寻求使用硅组件构建量子计算机方面迈出了重要的一步,与当今的量子计算机的硬件相比,硅组件具有低成本和多功能性而倍受赞誉。研究小组表明,硅自旋量子位(如图1所示)可以与位于计算机芯片上很远距离的另一个量子位进行通信。这一壮举可以使多个量子位之间的连接得以执行复杂的计算。

image.png

Fig. 1 Researchers at Princeton University have made an important step forward in the quest to build a quantum computer using silicon components, which are prized for their low cost and versatility compared to the hardware in today's quantum computers. The team showed that a silicon-spin quantum bit (shown in the box) can communicate with another quantum bit located a significant distance away on a computer chip. The feat could enable connections between multiple quantum bits to perform complex calculations. Credit: Felix Borjans, Princeton University

想象这样的一个世界,居住在那里的人们只能与隔壁的邻居交谈,并且必须挨家挨户传递消息才能到达较远的目的地。其速度之慢可想而知。迄今为止,构成硅量子计算机的硬件的情况一直就是这种情况,硅量子计算机也是一种类型的量子计算机,但它与当今版本的量子计算机相比,其价格可能更便宜且用途更多。

现在,普林斯顿大学的一个团队克服了这一局限,并证明了两个量子计算组件,即硅“自旋”量子位,即使在计算机芯片上相距较远时也可以相互作用。该研究结果于20191225日发表在《自然》(Nature)杂志上——F. BorjansX. G. CrootX. MiM. J. Gullans, J. R. Petta. Resonant microwave-mediated interactions between distant electron spins, Nature,  (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1867-y , Published: 25 December 2019, https://nature.com/articles/s41586-019-1867-y

普林斯顿大学尤金·希金斯物理学教授(Eugene Higgins Professor of Physics at Princeton),这项研究的负责人杰森·皮塔(Jason Petta)说:“在硅芯片上跨此距离传输消息的能力为我们的量子硬件带来了新的功能。” “最终目标是将多个量子位排列在二维网格中,从而可以执行更复杂的计算。这项研究将有助于改善芯片上以及从一个芯片到另一个芯片的长距离量子位之间的通信。”

量子计算机具有解决日常计算机功能之外的挑战的潜力,例如分解大量数据。量子位(qubit)可以比日常计算机位处理更多的信息,因为每个经典计算机位可以具有01的值,而量子位可以同时表示01之间的值范围。为了实现量子计算的承诺,这些未来派计算机将需要成千上万个可以相互通信的量子比特。如今,来自GoogleIBM和其他公司的原型量子计算机包含数十种量子比特,这些量子比特是由涉及超导电路的技术制成的,但是从长远来看,许多技术专家认为基于硅的量子比特更有希望。

硅自旋量子位比超导量子位具有多个优势。硅自旋量子位比竞争性量子位技术保留更长的量子态。硅在日常计算机中的广泛使用意味着可以以低成本制造硅基量子比特。挑战部分源于硅自旋量子位由单个电子构成且非常小的事实。

英特尔量子硬件主管詹姆斯·克拉克(James Clarke)说:“多个量子位之间的布线或'互连'是大规模量子计算机面临的最大挑战。”并未参与此研究的英特尔量子硬件总监詹姆斯·克拉克说,该团队正在使用英特尔先进的生产线制造硅量子位。“杰森·佩塔(Jason Petta)的团队在证明自旋量子位可以长距离耦合方面做出了巨大的努力。”

为了实现这一目标,普林斯顿大学的研究小组通过一根“电线”连接了量子比特,“电线”以类似于将互联网信号传送到家庭的光纤电线的方式来承载光。但是,在这种情况下,导线实际上是一个狭窄的空腔,其中包含单个光粒子即光子,它从一个量子位中提取消息并将其传输到下一个量子位。两个量子位相距约半厘米,或约一颗米粒的长度。

从这个角度来看,如果每个量子位都等于一栋房子的大小,那么这个量子位就可以向750英里外的另一个量子位发送信息。

向前迈出的关键一步是找到一种方法,通过调谐所有三个量子比特和光子以相同的频率振动,从而使它们能异口同声。该团队成功地彼此独立地调谐了两个量子位,同时仍将它们与光子耦合。以前,该设备的体系结构一次只能将一个量子比特与光子耦合。

这项研究的第一作者,研究生菲利克斯·博尔扬斯(Felix Borjans)说:“必须使芯片两侧的量子位能量与光子能量保持平衡,以使所有三元素彼此对话。” “这是工作中真正具有挑战性的部分。”

每个量子位由捕获在一个称为双量子点(double quantum dot)的微小室内的单个电子组成。电子具有自旋特性,可以像指向北或南的罗盘针一样向上或向下指向。通过用微波场对电子进行拍打,研究人员可以上下旋转自旋,以为量子位分配10的量子态。

HRL实验室(HRL Laboratories)的高级科学家、该项目的合作者撒迪厄斯·莱德(Thaddeus Ladd)说:“这是硅中自旋纠缠电子自旋的第一个例证,该电子自旋的距离比容纳自旋的器件大得多。“不久前,由于将自旋耦合到微波并避免了硅基器件中的噪声电荷移动的冲突要求,人们怀疑这是否可能实现。这是硅量子位的一个重要的可能性证明,因为它在如何布线这些量子位以及如何在未来的基于硅的“量子微芯片”中进行几何布局方面增加了极大的灵活性。”

两个遥远的基于硅的量子位设备之间的通信建立在杰森·佩塔研究团队先前的工作基础上。在2010年《科学》(Science)杂志的一篇论文中,研究小组表明有可能在量子阱中捕获单电子。该团队在2012 年的《自然》杂志上报道了量子信息从纳米线中的电子自旋到微波光子的转移,并且在2016年的《科学》杂志中,他们展示了将信息从硅基电荷量子位传递到光子的能力。他们在2017年的《科学》杂志中以qubit为单位展示了信息的近邻交换。该团队在2018年的《自然》杂志上展示了硅自旋量子位可以与光子交换信息。

斯坦福大学(Stanford University)电气工程学教授耶莱娜·武科威克(Jelena Vuckovic)和全球领导学黄延森(Jensen Huang)教授(未参与此项研究)评论说:“演示量子位之间的远程相互作用,对于量子技术(例如模块化量子)的进一步发展至关重要。杰森·佩塔(Jason Petta)小组的这项令人振奋的结果是朝着这一目标迈出的重要里程碑,因为它证明了由微波光子介导的,间隔超过4 mm的两个电子自旋之间的非局部相互作用。此外,为了建造这个量子电路,研究团队使用了半导体工业中大量使用的硅和锗材料。”更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

Intel Introduces cryogenic control chip 'Horse Ridge' to enable control of multiple quantum bitsdetails

Abstract

Nonlocal qubit interactions are a hallmark of advanced quantum information technologies1,2,3,4,5. The ability to transfer quantum states and generate entanglement over distances much larger than qubit length scales greatly increases connectivity and is an important step towards maximal parallelism and the implementation of two-qubit gates on arbitrary pairs of qubits6. Qubit-coupling schemes based on cavity quantum electrodynamics2,7,8 also offer the possibility of using high-quality-factor resonators as quantum memories3,9. Extending qubit interactions beyond the nearest neighbour is particularly beneficial for spin-based quantum computing architectures, which are limited by short-range exchange interactions10. Despite the rapidly maturing device technology for silicon spin qubits11,12,13,14,15,16, experimental progress towards achieving long-range spin–spin coupling has so far been restricted to interactions between individual spins and microwave photons17,18,19,20. Here we demonstrate resonant microwave-mediated coupling between two electron spins that are physically separated by more than four millimetres. An enhanced vacuum Rabi splitting is observed when both spins are tuned into resonance with the cavity, indicating a coherent interaction between the two spins and a cavity photon. Our results imply that microwave-frequency photons may be used to generate long-range two-qubit gates between spatially separated spins.



http://blog.sciencenet.cn/blog-212210-1211628.html

上一篇:注射基因沉默剂可阻止ALS恶化,挽救运动功能
下一篇:中国化学研究首次超过美国

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2020-2-20 23:19

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部