在硅里置入两颗磷原子,澳洲科学家把量子运算速度提升 200

2020-06-27 06:28:56编辑:
在硅里置入两颗磷原子,澳洲科学家把量子运算速度提升 200

量子电脑运用量子叠加原理,产生 0 与 1 之外的量子位元(qubit),进而提升运算速度;量子电脑的运算速度是传统电脑的 500 兆倍以上,将颠覆现有的资料架构、资安防护等资讯领域。

近日,澳洲物理学家在量子运算领域取得突破。他们在硅材料中置入两个磷原子,运算速度因此提升 200 倍,是建构原子级量子电脑的里程碑。

这款运算速度 level up 的量子电脑,到底是什幺神物?

在硅材料中置入两个磷原子,运算速度提升 200 倍

该实验由澳洲新南威尔士大学的量子物理教授 – 米歇尔.西蒙斯的团队主导。西蒙斯的团队在硅材料中,置入两个磷原子,让磷原子成为囚禁电子,建立首个硅基磷原子的两个量子位元的量子门,运算速度比其他基于硅的两量子位元电脑快 200 倍。

之前已经有论文证明,以硅为载体的磷电子,其自旋的交互作用可以让量子电脑以千兆赫兹的速度运算;然而技术上的瓶颈,直到近期才被西蒙斯的团队解决。

该技术瓶颈是,科学家很难确定磷原子电子之间的量子门,进行交换关係(打开或关闭)所需的原子距离。若距离太远,交换门不易打开;距离太近,则不易关闭。西蒙斯团队在实验中发现,原子距离 13 奈米是最适当的,解决了技术上的问题。

在硅里置入两颗磷原子,澳洲科学家把量子运算速度提升 200 量子运算有五大要件,西蒙斯团队让硅基量子电脑从理论成为现实

目前量子电脑有很多种,除了西蒙斯团队研究的硅基量子电脑之外,还有超导体量子电脑、半导体量子电脑、光量子电脑等。西蒙斯表示,硅基量子电脑有较长的相干时间(衡量量子位元保持量子态的时间)与较高的保真度(衡量资讯交换的準确性)。

西蒙斯团队的研究论文发表在近期的《自然》期刊上。该团队的研究,满足了量子计算的五大判决要求(Di Vincenzo’s criteria),而硅基量子电脑也从理论成为现实。

根据 David P. DiVincenzo 提出的五大判决要求,一个能够进行量子运算的系统,会满足这五大条件:

过去的硅基量子电脑只满足第 1、2、3、5 点条件,而西蒙斯团队的研究证实了第 4 点要求。该团队的下一个目标,是在 5 年内建构 10 位元的量子整合电路,并在 10 年内商业化。

在硅里置入两颗磷原子,澳洲科学家把量子运算速度提升 200 量子电脑产业蓬勃发展,全球仍需 2 万名量子专家

从商用角度来看,有两种标準可以评估量子电脑的商业潜力:

前者需要 50 个量子位元,后者所需的量子位元较少。

传统电脑只能用 0 和 1 两种位元计算,量子电脑有 0 和 1 的叠加态,因此运算速度更快,是传统电脑的 500 兆倍,可执行繁重的计算作业,用于气象预报、天文研究、药物开发、自驾车等各样领域。

昆士兰大学数学与物理学教授汤姆.斯塔斯表示,量子电脑正在从学术研究领域转到商业领域,是个蓬勃发展的产业,而且「全球还缺少 2 万个量子专家」。

现阶段已经有商用的量子电脑了,例如 IBM Q,但它们离消费者的生活还有段距离。随着量子技术的进步与普及,有朝一日,量子电脑会进到我们的生活中,如同现在的笔电、手机,成为生活中不可或缺的电子产品。

参考
1.《南威尔士大学》:〈200 times faster than ever before: the speediest quantum operation yet〉
2.《Nature》:〈A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon〉
3.《环球科学》:〈 将量子计算的速度提升 200 倍!硅基原子级两比特量子门问世 〉

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