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量子计较硬件组件、接口和应战

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 楼主| 捞排轨 发表于 2021-9-18 18:34:41 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
阅读目录:

1. 量子比特技术

2. 量子寄存器

3. 量子可逆门

4. 量子处置单元

5. 开辟职员若何与量子计较机交互

6. 量子硬件面临的应战



量子计较硬件组件

在典范计较机中,比特、寄存器和逻辑门是硬件的组成部分。而在量子计较机中,它是由量子比特、量子寄存器可逆门组成。 两者的组成部分称号听起来似乎没有很大的区分,但概念上实在相差甚远。以下将具体分析量子计较机的构建部分。



图1 | 量子计较组件(来历:量子客)




1. 量子比特

量子比特是量子存储器的根基单元,与可以为 0 或 1 的典范比特相比,由于叠加的殊效,它可以连结 0 和 1 的线性组合叠加状态。 例如,2个典范比特足以暗示 0 到 3之间的任一数字(00、01、10、11)。

但是,2个量子比特可以同时暗示 0 到 3 之间的所稀有字。 在技术上,有多种模拟量子比特的方式,但各有优弱点。以以下出支流几种技术范例,具体以下:



1.1 光子

由于光子与四周情况的相互感化较弱,是以它们具有自然的隔离特征,这使它们成为照顾信息、暗示量子比特和在室温下运转的绝佳候选者。另一个上风是光量子计较机可以集成到现有的基于光纤的电信根本设备中



图2|在光子芯片上实现的量子算法(来历:Nature)




但是,光量子计较面临的应战之一是容错纠错的范围性。 今朝开辟光量子计较技术的公司包括 PsiQuantum、Xanadu 、亚马逊以及图灵量子等。



1.2 离子阱

利用离子阱量子比特的量子硬件凡是依靠于经过自在空间或波导传输的微波或光学信号,并传递到量子比特的位置。当前离子阱的量子计较系统原型由单个势阱中的 5 到 20 个静态离子链组成。




图3|离子阱量子计较根基道理(来历:IonQ)
离子阱系统面临的应战是:


  • 随着链长的增加,分手单个离子活动的难度;
  • 可以用门激光束零丁寻址的离子数目;
  • 丈量单个量子比特。
今朝处置离子阱量子技术的公司包括 Honeywell、IonQ以及启科量子等。



1.3 半导体

可以经过操纵半导体材料(如硒或锗)或缺点材料(如金刚石、氮化铝或碳化硅)中的单个电子来模拟量子比特。将微波和磁场利用于这些材料将使其表示出叠加、纠缠和其他量子特征。 依靠半导体技术停止量子系统研发的公司包括英特尔、谷歌、 IBM以及根源量子等。



1.4 超导

超导量子比特系统利用微波和低频电信号停止控制,这两种电信号都经过毗连到稀释制冷机中的电线停止通讯,以到达受控情况中的量子比特。



图3|稀释制冷机(来历:牛津仪器)



超导系统面临的应战是:


  • 量子比特毗连性的进步;
  • 可扩大的校准技术;
  • 门保真度的提升。
今朝开辟超导量子技术的公司有谷歌、IBM、阿里、根源量子以及量旋科技等。 领会更具体的量子计较硬件技术,可参阅《最全量子计较硬件技术》。



2. 量子寄存器

量子寄存器是一组量子比特,它同时保存输入数据的一切能够设置。换句话说,将量子算法利用于n个量子比特的寄存器将使 量子计较机“并行”计较 0/1 状态的一切能够的 2^n 组合。



3. 量子可逆门

可逆门是仅经过检察输出便可以重建其输入的门。例如,在典范计较中,NOT翻转门是可逆的,而异或门是不成逆的,由于没法经过输出来反推出输入。

门型量子计较中,量子门必须是可逆的,这是量子力学包含量子计较的根基纪律。量子门的操纵也作酉运算(Unitary operations),它们的逆也是它们的共轭。 逻辑可逆性答应:


  • 逆向量子线路:经过将“逆向”量子门序列以相反的顺序利用于输出;
  • 下降计较能耗:由于每个输入都与唯一的输出相关联,所以没法擦除任何量子比特。是以,在计较进程中不会损失能量。


4. 量子处置单元

量子处置单元(Quantum Processing Unit, QPU)是一种依靠量子力学道理来履行计较使命的计较单元。

QPU 包括


  • QRAM(寄存器+门);
  • 将系统驱动到所需状态的量子控制单元 (QCU);
  • 界说主机 CPU 和 QPU 之间交互的典范控制器接口。


5. 开辟职员若何与量子计较机交互?

为了对量子计较机停止编程,法式员将经过宿主系统发送算法,凡是称为“宿主处置器”。宿主处置器是典范计较机,它与 QCU 具有高带宽毗连。宿主主机运转传统操纵系统以答利用户与量子处置器交互。



6. 量子硬件面临的应战

6.1 隔离

最多见的应战是隔离。热和光等乐音会致使量子退相关,其中量子比特会落空其量子特征(叠加和纠缠)以及它们存储的信息。凡是,量子计较机存储在差不多 ~0 开尔文(-273.15 摄氏度)的情况下。



6.2 信号控制

要改变量子比特的状态,它需要扭转(由逻辑门翻转)。这些扭转轻易出错。例如,假如算法需要将多个量子比特扭转 90 度,但毛病致使扭转 90.1 度,则以该毛病率扭转的量子比特的积累将致使毛病输出。



6.3 量子纠错 QEC 方式

量子纠错(QEC)是庇护量子信息不受退相关和其他量子噪声影响的需要手段。在典范计较机中,纠错采用的是冗余,即把用于编码一定数目信息的比特复制和存储屡次,并检查它们能否不异。假如发现有变化,那末大部分不异的信息就是实在的版本。

但是,由于不成克隆理论指出不成能建立肆意量子态的不异副本,是以没法复制量子信息。 量子纠错面临的另一个应战是波函数坍缩题目。在典范计较中,可以在不影响编码信息的情况下丈量肆意属性。

在量子计较中,作为纠错法式的一部分,必须采纳特此外方式,免得致使波函数坍缩和擦除编码信息。



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