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怕热、怕磁场还怕辐射!如何“保护”一台脆弱的量子计算机?

2020-08-28 17:37 前瞻网   
怕热、怕磁场还怕辐射!如何“保护”一台脆弱的量子计算机?

自30多年前,科学家提出利用量子构建计算系统的设想以来,这种常在科幻作品里出现的新一代计算机系统正一步步成为现实。

2019年1月,IBM在CES展会期间推出其量子计算机Q System One,是世界上首款专为科研和商业用途设计的全集成通用量子计算机。

今年3月,霍尼韦尔称研发出了世界最强的量子计算机,量子体积得分达到64,比Q System One多一倍。但还不到半年,IBM也相继宣布其量子计算机同样达到了64量子体积。

但在量子计算机技术飞速发展的背后,其本身仍然是一件相当“脆弱”的东西:高温、电磁场、宇宙辐射等因素都会影响其计算。

为什么量子计算机如此脆弱?这要从“量子相干性”说起。

“脆弱”的量子相干性

量子计算机的重要量子性质之一就是“量子相干性”。通俗地说,假定在高能加速器中,由能量生成的一个电子和一个正电子朝着相反的方向飞行,在没有人观测时,两者都处于向右和向左自旋的叠加态,而进行观测时,如果观测到电子处于向右自旋的状态,那么正电子就一定处于向左自旋的状态。这就是说,“电子向右自旋”和“正电子向左自旋”的状态是相关联的,称为“量子相干性”。

而在量子计算机中,彼此有关的量子比特串列成为一个整体,只要对一个量子比特进行处理,影响就会立即传送到串列中多余的量子比特。正是量子相干性让量子计算机实现了高效率的并行运算。

但量子比特之间的相干性很难长时间保持,经过一段时间后,一旦遇到外界实体的观测,就会失去相干性。量子比特还会受到外部环境干扰,导致量子相干性衰减,这被称为“退相干”。

如果退相干时间不能足够长,就无法完成计算,因此这限制了量子计算机的运算时间。

为了让“脆弱”的量子计算机保证其高性能,科学家已经采取了很多措施:

超低温

许多量子计算机必须保持在接近绝对零度的温度。绝对零度是热力学中的最低温度,等于零下273.15摄氏度。

1983年7月21日所录得的南极地区最低温度,同时也是全世界的最低温度为零下89.2摄氏度。因此,对于量子计算机来说,自然界的低温还远远不够。

量子计算机通常由两种基态组成,通常被认为是“0”和“1”。从一种状态转变为另一种状态需要能量,而在极冷的温度下原子和分子的移动变得更少,使其自身变得更加稳定。

这就意味着,通过保持极低温,可以让量子态被不受控制的因素影响而转换到另一个量子态的可能性大大降低。

目前,人类还不能达到绝对零度,但可以通过各种手段而尽量接近这一温度。

许多量子计算机会使用稀释制冷机,其原理类似液体蒸发吸热,利用基于氦的同位素混合物实现热量的流动。

如D-Wave的量子计算机使用液氦作为制冷冷却剂,让液氦处于“封闭循环系统”中,并使用脉冲管技术来回收和再冷凝液氦。

Q System One则利用两种氦同位素的混合特性来制冷,其装配冷却系统的全套设备放在纽约的实验室中,体积跟一间房间差不多大小。

物理隔离

为了尽量减少外界对量子态的干扰,除了使用超低温让其保持稳定,物理隔绝、几近真空的环境、屏蔽磁场干扰和电磁噪声的外壳等等设置也是必需的。

IBM的Q System One就被放在一个9 英尺高、9 英寸宽的透明玻璃外壳内,其内部使用了超导体来尽量减少能量损失,磁屏遮罩内的量子放大器能够放大处理读取信号,并将噪音最小化。

D-Wave 2000Q量子计算机也使用了一个黑色的立方体来容纳、冷藏和磁屏蔽量子计算系统,其内部屏蔽系统和量子计算机机壳外部之间只有唯一的信息通道。

为了屏蔽磁场,D-Wave 的QPU上集成了磁传感器,用来测量环境场;通过施加方向磁场,使这些传感器处磁场归零。

D-Wave还使用了低频带通滤波器,用于消除线路噪声。即使是机器本身运行时所产生的电荷起伏、热噪声和反向散射信号对量子计算机来说也是高度敏感的。

自然辐射

人们已经知道磁场、电场、甚至万有引力都会对量子态造成扰动,但新的研究表明,宇宙射线甚至是混凝土中的微量辐射都可能将量子位的使用寿命限制在几毫秒之内。

近日,在《自然》上发表的一篇论文中,来自麻省理工学院和西北太平洋国家实验室的研究团队称,为了克服这个障碍,科学家们需要找到一种方法来保护量子位免受辐射,包括将其置于地下。

长期以来,科学家们一直怀疑极低水平的辐射可能在量子位中产生类似磁场、热能的不稳定效应,但这是首次证明这一点的研究。

该团队辐照了一层高纯铜箔以产生不稳定的同位素铜-64,随后测量了放射性对超导量子位的影响。

该研究的合著者、MIT物理学教授Joseph Formaggio说:“宇宙射线辐射很难摆脱。它非常具有穿透力,就像射流一样能够穿过一切。如果你转入地下,它们会变得越来越少。”

不过,他表示:“也许你没有必要在地下深处建造量子计算机,就像中微子实验一样。但也许地下深处的设施可以让量子位在更高的水平上运行。”

麻省理工学院(MIT)电子工程和计算机科学副教授、林肯实验室(Lincoln Laboratory)研究员威廉•奥利弗(William Oliver)也表示,转入地下并不是唯一的选择,人们有办法设计出在背景辐射下仍能工作的量子计算设备。

内部纠错

量子计算机面临的干扰不仅来自外部的环境因素,也来自机器内部——比如没有精确校准的激光。

一个可能的解决方案是建造一台能够实时纠正硬件错误的机器。

原定今年3月举行后又被取消的APS会议上,学术界和产业界的研究人员本打算就量子误差校正的最新研究发表演讲。

虽然理论家在20多年前就开始考虑量子误差修正,但研究人员直到最近才开始着手进行实际实验。

“我们正从理论家的游乐场转变为实际的实施,”IBM的理论学家Ted Yoder说。

量子误差修正的基本任务可以分为两个步骤:第一,检测在计算过程中发生的错误,第二,撤销这些错误。

这些错误产生的原因多种多样:例如,对一个量子位的操作可能无意中改变邻近量子位的状态,这是一种被称为串扰的特殊错误。

经典算法通过复制数据来部分纠正错误。例如,在所谓的“经典重复代码”中,一台经典计算机与同一位的多个副本一起工作,如果在传输中某个位以某种方式被翻转,计算机可以应用“多数规则”算法来纠正错误。

但这种方法无法应用于量子计算机,因为量子位受到“不可克隆定理”的限制,该定理禁止复制量子态。

一种流行的策略是使用一群“物理”的量子位——例如多个被捕获的离子或超导电路——作为一个“逻辑”的信息量子位共同工作。

在这种情况下,几个“数据”量子位包含被计算的信息,它被耦合来支持称为“附属”(ancilla)量子位的量子位。

计算机通过直接测量附属量子位来推断错误,但它不会改变数据的量子位,保持它的量子态。

不过,一台能够错误修正的量子计算机将需要大量的量子位。为了进行错误校正,大多数量子位需要是附属量子位,只有少数参与主要的计算任务。

由于现有的量子计算机硬件包含相对较少的量子位,因此迄今为止很难实现纠错算法。

另一方面,一家名为Q-CTRL的初创公司销售机器学习驱动工具,以在初始地点识别和减少硬件错误。Q-CTRL的客户包括量子计算初创公司Rigetti、麻省理工学院和南加州大学。

这种硬件方法,加上量子误差校正,可能会很快推动量子计算机发展更进一步。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4098WXY

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