量子计算:研究突破实现三重量子纠缠

理研新兴物质科学中心的研究人员展示了一种基于硅的三量子位量子计算机制——为增加可扩展性开辟了道路,而不仅仅是在给定系统上增加总量子位。以前,量子位只显示在纠缠对中工作——这项研究表明纠缠(以及计算)实际上可以在三个量子位之间进行划分。

量子计算基于量子位——现代晶体管的量子等价物。但是,虽然典型的晶体管在任何时间点只能表示一个值(该值为零或一),但量子位受益于量子物理学的叠加机制,这意味着它们可以同时表示两种状态。

到目前为止,量子计算系统通过纠缠两个不同的量子位来工作,这使它们能够协同工作以解决任何复杂的工作负载(纠缠意味着量子位完美地相互镜像,并且一个量子位状态的任何变化都会立即复制到另一个)。如果您将每个量子位视为单个核心,那么该研究现在将可以同步工作的最大量子位(“核心”)数量从之前的两个量子位最大值增加到三个。理论上,您现在可以构建多个三核量子计算细分,而不是双核。

因此,这项研究对量子缩放以及量子算法的复杂性具有多种影响。参与其中的研究人员之一 Seigo Tarucha 解释说:“(...) 两量子位操作足以执行基本的逻辑计算,但三量子位系统是放大和实施纠错的最小单位。”研究人员使用目前正在探索的一种方法作为量子计算的推动者:三个硅量子点,它们由硅/硅-锗异质结构构成,并通过铝门控制。每个硅量子点都有一个电子(带负电的粒子),它会随着强大的片上磁铁改变其自旋状态。磁铁会产生磁场梯度,从而将三个量子位的共振频率分开,从而使它们能够被单独寻址。

这对于结果的纠错具有重要意义。像我们的个人电脑这样的图灵机内部已经有了深度纠错协议,可以确保计算的有效性。这种纠错要求在量子领域还处于起步阶段,这就是为什么这个演示如此重要。根据研究人员的方法,第三个量子位现在可以用作计算的助手,有助于实现 88% 的非常高的(对于量子计算)状态保真度。

与量子计算相关的一切都还处于起步阶段,可扩展性是这里的关键词,研究人员将继续探索他们的理论已经可以用他们的技术实现的目标。

“我们计划使用三量子位设备演示原始错误校正,并制造具有十个或更多量子位的设备,”Tarucha 说。“然后我们计划开发 50 到 100 个量子位并实施更复杂的纠错协议,为十年内大规模量子计算机铺平道路。” 世界在等待。

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