混合量子比特解决了量子计算的关键障碍

  基于旋转的量子计算机有可能解决使用普通计算机无法解决的困难数学问题,但在使这些计算机可扩展方面仍存在许多问题。现在,由RIKEN紧急物质科学中心领导的一个国际研究小组已经为量子计算制定了一个新的架构。通过构建由两种不同类型的量子比特(量子计算机的基本计算元素)制成的混合设备,他们创建了一种可以快速初始化和读出的设备,同时保持高控制保真度。

  在传统计算机似乎达到极限的时代,量子计算机 - 使用量子现象进行计算 - 已经被吹捧为潜在的替代品,并且它们可以以非常不同且可能更快速的方式解决问题。但是,已经证明难以将它们扩展到执行实际计算所需的大小。

  1998年,当前研究的作者之一Daniel Loss提出了一项建议,与IBM的David DiVincenzo一起,通过使用嵌入量子点中的电子旋转来构建量子计算机 - 一个小粒子,表现得像一个原子,但可以被操纵,因此它们有时被称为“人造原子”。从那时起,Loss和他的团队一直致力于构建实用的设备。

  在速度方面开发实用装置存在许多障碍。首先,必须能够快速初始化设备。初始化是将量子比特置于特定状态的过程,如果无法快速完成,则会降低设备的速度。其次,它必须保持一致性足够长的时间以进行测量。相干性指的是两个量子态之间的纠缠,最终用于进行测量,因此,如果量子位由于环境噪声而变得相干,例如,器件变得毫无价值。最后,量子比特的最终状态必须能够快速读出。

  虽然已经提出了许多用于构建量子计算机的方法,但是Loss和DiVincenzo提出的方法仍然是最实用的方法之一,因为它基于半导体,已经存在大型工业。

  对于目前的研究,发表于Nature Communications,该团队在一台设备上组合了两种类型的量子比特。第一种,称为Loss-DiVincenzo量子比特的单自旋量子比特,具有非常高的控制保真度 - 意味着它处于清晰状态,使其成为计算的理想选择,并具有较长的退相干时间,因此它将具有在失去对环境的信号之前,在相对较长的时间内待在一个特定的状态。不幸的是,这些量子比特的缺点是它们无法快速初始化为状态或读出。第二种类型称为单重态 - 三重态量子位,可以快速初始化并读出,但很快就会变为相干。对于这项研究,科学家们将这两种类型与一种称为受控相位门的量子门结合起来,它允许自旋状态在速度足够快的时间内纠缠在量子位之间,以保持相干性,

  根据CEMS的Akito Noiri,该研究的主要作者,“通过这项研究,我们已经证明不同类型的量子点可以组合在一个设备上,以克服它们各自的局限性。这提供了重要的见解,可以提高可扩展性量子计算机。“

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