澳科学家开发重要元件:可助实用型量子计算机

  (原标题:澳科学家开发重要元件:可助实用型量子计算机问世_《参考消息》官方网站)

  参考消息网11月30日报道美媒称,一个澳大利亚科学家团队开发出量子计算的重要元件:微波循环器。研究人员称,他们的发明将使量子计算机的规模升级成为可能。

  据合众国际社网站11月28日报道,这种元件是描述拓扑绝缘体的理论性研究在现实中的首次体现这项研究成果获得了2016年的诺贝尔物理学奖。拓扑绝缘体是具有独特物质相态的材料,这些材料的内部结构如同绝缘体,而表面却可以作为导体。

  报道称,通过对这些材料进行巧妙处理,科学家能够制造出一种可以促进量子系统和经典系统之间互动的电路接口。这样一种元件对于制造现实世界的量子计算机是必不可少的。

  微波循环器的作用就像是交通环岛,它只把电信号朝同一个方向(顺时针或逆时针)输送。商用循环器存在于移动通信基站和雷达系统中是极其笨重庞大的。

  利用拓扑绝缘体,悉尼大学的科学家成功地实现了这项技术的微型化。这种新材料使科学家可以有效降低光的传导速度,从而可以在不牺牲性能的情况下缩小元件尺寸。科学家相信他们的突破将使许多循环器可以被集成到一枚计算机芯片中。

  研究人员相信,这一突破将使科学家开发出能够执行现实世界功能的实用型量子计算机。到目前为止,科学家只能开发出十分简单的量子计算机。悉尼大学的戴维莱利教授说:“使量子计算机的规模升级成为现实,将需要发明充当量子-经典系统接口的新装置和新技术。”新近发明的微波循环器其详情刊登在本周的《自然通讯》杂志上就是一种这样的装置。

  报道称,尽管实用型量子计算机的出现仍将是多年以后的事情,但科学家相信他们的最新突破将为这样的装置成为现实创造条件。

  参考消息网10月12日报道港媒称,中国正针对量子技术的应用建造一座大型研究中心,最终目标是建造计算能力是目前世界上所有计算机计算能力总和百万倍的量子计算机。

  据香港亚洲时报在线公顷的中心将建造地点选在了安徽省合肥市。《大众科学》博客栏目博主杰弗里利恩(音)和彼得W辛格指出,在宣布建造该中心前,中国科学院于近期进行了全球首次基于量子加密通讯技术的视频通话,并且也已完成一条量子加密通讯光纤干线的建造工作。

  这座名为量子信息科学国家实验室的新超级中心计划于2020年启用。据报道,这座中心有两大主要研究目标:量子计量学以及建造计算能力强大到让目前世界上的所有计算机相形见绌的量子计算机。

  量子计算利用了亚原子粒子在任何时候都能以不止一种状态存在的属性,这使得量子计算机的计算速度比目前的计算机快很多,并且能耗更低。预计这种计算能力的巨幅提升将把人工智能和其他新兴技术推向新的高度。(编译/李浩)

  资料图片:2016年6月20日拍摄的“神威太湖之光”超级计算机。新华社记者李响摄

  参考消息网7月23日报道西媒称,1928年英国物理学家保罗狄拉克做出了一个非凡的预言:宇宙中每一个基本粒子都拥有一个“反粒子”。这些反粒子是基本粒子的孪生兄弟,但却带着相反电荷。数年后,人们发现了第一个反物质的反粒子正电子,于是反物质很快成为了基本共识。

  据西班牙《阿贝赛报》网站7月21日报道,然而在1937年,另一位伟大的物理学家埃托雷马约拉纳将该情形进行了新一轮的扭转。他预言,在我们所熟知的费米子(包括质子、中子、电子、中微子和夸克粒子)中,存在着一些粒子,其反粒子就是其本身。

  80年后的今天,在用特殊材料进行一系列实验后,一个物理学家团队终于发现了“马约拉纳费米子”真实存在的第一个证据。该实验与斯坦福大学科学家合作,在加利福尼亚大学实验室进行。该实验按照主要研究员张首晟制定的计划一步一步进行,得出的实验结果于7月20日刊登在美国《科学》杂志上。

  斯坦福大学物理学教授张首晟说:“我们的团队准确预测了在何处可以找到马约拉纳费米子,以及应当寻找什么来作为证据。这一重大发现结束了基本物理学最艰辛的探索,一个已经持续了80年的探索。”

  对于张首晟来说,尽管著名的费米子似乎只是一个理论性高于实践性的物质,但他们的发现将会对未来建造更加稳定的量子计算机产生重要的意义。

  由于只沿一维路径移动并且方向固定,因此研究人员发现的马约拉纳费米子,其具体种类是“手性马约拉纳费米子”。

  张首晟所在的实验室主任汤姆德弗罗说:“这项研究标志着该领域的里程碑。”

  该实验中,研究人员在一个低温真空室中堆叠了两种量子材料(一个超导体和一个磁性拓扑绝缘体)的薄膜,然后利用薄膜传导电流。上层薄膜是一个超导体,底层是一个拓扑绝缘体电流只通过其表面或边缘传导,并不会通过其内部。合并两层薄膜,物理学家们获得了超导-拓扑绝缘体,电子在这里沿着材料表面的两个轴无阻碍运动,如同高速公路上的汽车一样。

  目前,张首晟提议将发现的手性马约拉纳费米子命名为“天使粒子”。张首晟提到,在马约拉纳费米子的量子世界中只有天使,没有魔鬼。

  新华社北京5月13日电(记者 喻菲 徐海涛 周琳)位于上海的中科院量子信息和量子科技创新研究院的一间实验室内,三平米的实验台上看似毫无章法、密密麻麻地布满大大小小的镜片和古怪的器件,一些电线从上方的支架上垂落下来,旁边的一台仪器发出单调的“啾啾”声。

  这是近20位科研工作者经过4年多孕育出的中国量子计算机“婴儿”,它也是世界上首台超越早期经典计算机的光量子计算机,5月初才在世人面前首次亮相。

  量子计算所依据的原理是微观世界最诡异的量子纠缠现象。对古人来说,现代电子技术如同巫术,而开启未来科技引擎的量子计算在当今世人眼中又何尝不是。

  这台初具雏形的光量子计算机的研制者之一、中国科学技术大学年仅34岁的陆朝阳教授留着寸头短发,眼镜片藏不住眼中露出的聪慧,人们称他是操纵光子的“巫师”。

  “世界上找不到两片一模一样的树叶,但我们可以制造出两个一模一样的光子,可以开玩笑地说连上帝都无法区分,量子力学中叫做全同。两个独立的光子只有一模一样了,才能让它们产生量子干涉,进而纠缠,否则两个光子谁都不理谁。”陆朝阳说。

  上帝也无法区分的光子产生于一个单光子源。发出鸣叫声的是制冷机,为单光子源提供零下269摄氏度的低温环境。

  “我们这里的单光子目前在国际上综合性能最优,全同性比率达到99.5%,效率比国际上第二名高10倍以上。这是由于我们在2013年创新了一种激发方法,可以大幅度降低噪音。之前国外技术产生的单光子就好像一对玩了泥巴的双胞胎,你可以通过他们身上的泥巴区分他们,而我们制造出的光子就像把双胞胎洗得干干净净,你就分辨不出他们了。”陆朝阳说。

  这些光子在实验台上的镜片间跑来跑去,经过10多个波片,改变了偏振信息后被导入一个关键器件多路分束器,它相当于这台光量子计算机的CPU。在这里,“巫师们”对光子进行操纵。

  那些看似横七竖八排列的反射镜、波片、分束器和其他怪异的元器件,其实是“巫师们”独具匠心地设计、组装起来的。

  “我们设计出的超低损耗量子线%,而国际上其他研究组的量子线%。”陆朝阳说。

  这个“婴儿”诞生以来,只做了一件事:玩了一个叫“玻色取样”的游戏。这是科学家专门设计出来让量子计算机和经典计算机比赛的游戏。

  对着显示屏上高低起伏的谱线,“巫师”说:“我们仅操纵了5个纠缠的光子,它就打败了早期的经典计算机。”而“巫师们”在2016年底已可以操纵10个纠缠光子,创造了新的世界纪录。他们计划今年年底实现操纵大约20个量子比特。

  “虽然这台光量子计算机还不如你握着的手机计算能力强,但它是一个里程碑。人类历史上第一台电子计算机有几间屋子大,今天我们看它一文不值,但它具有非常重要的科学意义,从科学到技术,再到应用,要一步步走来。”陆朝阳说,最初汽车刚发明时,性能很不可靠,还没有马车方便舒适。但随着技术的发展,汽车终究超过马车。

  陆朝阳的导师、中科院院士潘建伟20多年一直致力于对微观粒子的操控。他的团队近期取得量子计算方面的突破得益于单光子源和超低损耗量子线路方面的进展。“我们早先的路非常艰难,而现在进展越来越快,这意味着量子计算研究就像雨后春笋,到了爆发式成长的节点。”

  由于量子计算的巨大潜在价值,欧美各国以及一些大型高科技公司如谷歌、微软、IBM等都在大力研究。如何实现量子计算,科学家们正在尝试很多种方案,光量子只是其中一种。

  从事超导量子计算研究的中国科学技术大学教授朱晓波说:“我所知道的各国在花大力气做的就有七八种路径,中国几个研究团队走在不同的路径上。”

  “现在谁也不知道最后哪个技术路线能做成真正有实用价值的量子计算机,有可能条条大路通罗马,好几个方向都做成,只是解的问题不一样,有可能会有不同类型的量子计算机。还有一种可能是,或许某一天从一条无人知道的路径杀出一匹黑马。”朱晓波说。

  潘建伟说,光量子系统是中国的传统优势。但最快能带来实际价值的可能是超冷原子系统。“可能再过一两年,我们的实验室就能达到400个原子的相干操纵,这将是巨大的进步。”

  而超导量子计算这条技术路径也不能忽视。谷歌、IBM等公司在这一领域做了巨大投入。“这是因为超导量子系统的可集成性和相干性非常好,它的耗电量比经典超级计算机小得多,几乎可以忽略不计。而这方面,中国也具有成熟的技术。”潘建伟说,不同的研究团队应协同创新、相互借鉴。

  潘建伟预计,2020年中国有望研制出50个左右量子比特的超导量子计算机,超越目前最强大的超级计算机,实现“量子称霸”。

  在量子信息和量子科技创新研究院另一间实验室,超导量子计算机也在孕育之中。与光量子计算机五脏六腑一览无余地铺陈开来不同的是,超导量子计算机的核心部件都包裹在一个悬在空中一米多高的圆柱形罐子里。同样有制冷机发出鸣叫,不过超导量子计算机需要的环境温度更低,达到零下273.15摄氏度。

  作为它的主要研制者之一,朱晓波说,他与浙江大学王浩华教授以及陆朝阳、潘建伟合作,用超导材料研制出世界上纠缠数目最多(即10比特)的超导量子芯片。

  这个指甲盖大小的芯片就位于圆柱形罐子的底部,巨大的罐子是为了提供芯片工作所需要的极低温、极低噪声的环境。

  朱晓波认为,目前这套系统还不能称为一台超导量子计算机。他希望能做出平台和接口,可以让人去访问它。“量子计算机是全新的,怎么运算,很多最顶级科学家也不清楚。我们希望今年年底能做出10量子比特的演示机器。”

  他说,目前最困难的是如何提高量子芯片的操控精度。量子芯片是非常脆弱的系统,蝴蝶扇动翅膀的能量都比操控量子的能量高万亿亿倍,所以屏蔽震动、电磁波等造成的环境噪声非常关键。“而这其中特别难做到的是,在提高操控的量子比特数目的同时,还要屏蔽噪声。”

  潘建伟认为,中国科学家10年内可以做到100个量子比特的操纵,这样就可以研制出在某些方面有实用价值的量子计算机,它的计算能力可以达到现在全世界计算能力总和的百万倍。

  人类对计算能力的需求永无止境。第一台经典计算机刚问世时,IBM的创始人托马斯沃森曾说,全世界只需要5台计算机就够了。但现在每人都至少需要一台。

  潘建伟预测,全世界有几万或者几百万台量子计算机。“但是我家里肯定不需要有一台,把手机、笔记本电脑造成低温很困难。但我可以使用云计算,通过量子通信把需要计算的任务发送到云端。”

  “传统计算机已经能算得很好的问题,我们就不需要用量子计算机。我们要解决的是经典计算机解决不了的问题,例如破译密码、天气预报、药物设计。量子计算还能大力推动人工智能的研究。”潘建伟说:“以后是否有通用的量子计算机,现在还很难说,可能将来的量子计算机跟我们现在想象的都不一样。”

  参考消息网5月12日报道英媒称,就连量子计算机也需要保持冷静。现在,研究人员研制出一款纳米级微型冰箱,以便让量子比特保持运行所需的温度。

  据英国《新科学家》周刊网站5月8日报道,经典计算机需要内置风扇以及采用其他办法来散热,量子计算机也不例外。量子计算机不像经典计算机那样依赖非“0”即“1”的比特信息,它依赖的是“量子比特”。由于量子力学的怪异特性,量子比特可以同时以“0”和“1”两种状态存在,这被称为“叠加态”。这些量子比特必须与所有外部噪音隔绝开来,因为最轻微的干扰也会破坏叠加态,从而导致运算错误。隔绝良好的量子比特极易升温,因此让它们保持低温是一项挑战。

  同样与经典计算机不同的是,量子比特必须从低温基态开始进行运算。量子比特会在运算过程中升温,因此如果你希望依次进行若干项运算,任何冷却机制都必须快速起效。标准风扇根本没法做到这一点。

  现在,芬兰阿尔托大学的米科默特宁及其同事研制出第一部用于量子电路的独立冷却装置。它最终可以被整合进许多种量子电子设备,包括量子计算机。

  这支团队构建了一个有能隙的电路,这个能隙把两条通道隔开:它们分别是超导“快车道”,电子以零电阻在其间飞驰,以及一条有电阻的“慢车道”。只有能量充足到足以跨越能隙的电子可以进入超导“快车道”,而其余电子将困在“慢车道”中。

  如果某个可怜电子的能量不足以完成飞越,那么它可以从邻近的一个共振器捕获一个光子,以增加能量。这样一来,共振器的温度会逐渐降低。

  随着时间的推移,这也会对电子产生一种选择性的冷却效果:温度更高的电子会越过能隙,温度较低的电子则被落下。这个过程会把热量从系统中带走,这很像是冰箱的工作原理。

  加州理工学院的斯皮罗斯米哈拉基斯把这与著名的“麦克斯韦妖”思想实验进行了一番不太严谨的类比。这个思想实验假设一个小妖怪操控着一个充满气体分子、分为两个室的盒子,室之间的隔墙上有个小门。这个小妖怪只允许温度最高或是能量最充足的原子通过小门,最终导致两个室之间存在巨大的温度差异。

  米哈拉基斯说,量子冰箱中没有妖怪,但它的工作原理类似。他说:“它有点类似于麦克斯韦妖,只允许能量高于某个界限的电子通过。”

  下一步将是利用这个装置给真正的量子比特降温,但要小心在冰箱停止工作时,不要意外破坏叠加态。默特宁对最终的成功抱有足够的信心,他已经为该装置申请专利。

  他说:“没准在10到15年后,它就能具有商业价值了。这将会花一些时间,但是我相当肯定我们能做到。”

  央广网北京5月4日消息(记者张子雨)据经济之声《天下公司》报道,昨天,科技界迎来了一个重磅消息,中国科学家研制出了世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,而且首次成功实现了十个超导量子比特纠缠。根据介绍,关于量子计算研究的系列成果已经发表于《自然·光子学》等国际权威学术期刊上。

  据中国科学技术大学教授陆朝阳介绍,这次中国科学家研制出的光量子计算机在计算速度上把第二名远远抛在身后,这也是量子计算机第一次超越了早期传统计算机的标志性机型。

  陆朝阳:“在这台原型机上运行一些量子算法,和国际同行相比,我们这台量子计算机比第二名快两万四千多倍,可以超过人类历史上最早期的那些经典计算机。这意味着我们可以构建出一些量子计算机和传统计算机同台竞赛。”

  实际上,在量子计算领域的突破,这也意味着中国在量子技术这个领域取得了全球领先的地位。中国科学技术大学副研究员袁岚峰告诉我们,量子技术分为量子通信和量子计算两个领域。“量子卫星”的发射,意味着中国在量子通信领域已经毫无争议地位居全球第一,而在量子计算机上的突破,则意味着在这两个细分领域,中国都站在世界的前列。

  袁岚峰:“量子信息这个领域分为两大块,分别是量子计算和量子通讯。中国在量子通讯方面毫无疑问是世界最领先的。在量子计算方面,中国不是最领先的,美国有很多团队也非常先进。这一消息的特别之处在于中国在量子计算这个领域也赶上来了。虽然不好说是超过它们,但在某些领域和某限定条件下,我们已经达到最优了,起码是和国际先进水平齐头并进的。”

  所谓量子计算机是指利用量子相干叠加原理,理论上具有超快的并行计算和模拟能力的计算机。曾有人打过一个比方:如果现在传统计算机的速度是自行车,量子计算机的速度就好比飞机。中科院院士潘建伟用一组对比来解释量子计算机的巨大计算能力。

  潘建伟:“如果要来分解一个300位的大数,用我们目前每秒计算万亿次的电子计算机来计算,大概需要算15万年左右。而一台量子计算机只需要一秒钟就能算完了。”

  潘建伟说,在量子计算基础研究领域,就计算能力而言,科学界有三个达成共识的指标性节点:第一步超越首台经典计算机,第二步超越商用CPU,第三步超越超级计算机。目前我们实现的只是其中的第一步,但这一小步却是重要的一步。

  潘建伟:“通过3到5年的努力,我们就能实现50个左右的量子比特的相干操纵,能够超越目前的超级计算机;通过10到20年,就可以真正研制出来专用的量子计算机。”

  对于普通人来说,大家都很好奇,如此高精尖的量子计算机具体有什么用处呢?专家认为,计算能力极限的大幅提升,量子计算机中国造 “速度革命”新飞跃——量子时代的探寻与追问 意味着量子计算机可以分析更多数据。比如,实现精准的天气预报,躲避飓风海啸;计算优化的出行线路,让城市减少堵车;识别有效的分子组合,降低药物的研发成本和周期;甚至可以用于探索太空,较快辨别可能存有生命体的行星。

  潘建伟预测,造出“专用”量子计算机,在求解材料设计、化学研究、物理研究等特别需要、特别有用的问题上超越“超级计算机”,有望在10年出现,最终还将拓展到量子人工智能领域。

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