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更简单的量子计算系统,大幅提升量子计算机“纠缠”量

发稿时间:2016-11-24 10:45:33 来源:米皮网

  

  在一些计算问题上,量子计算机提供了巨大的速度提升,因为它利用了被称为“纠缠”的奇特物理属性——其中一个微小颗粒的物理状态取决于对另一个的观测。在量子计算机中,“纠缠”是一种计算资源,相当于芯片的时钟周期或者传统计算机的内存。

  在最近刊登在《美国科学院学报》的论文中,来自IBM沃森实验室和麻省理工学院(MIT)的研究者展示了一个简单的量子计算系统,与过去相比,它的“纠缠”量有指数级提升。这意味着量子计算机或者量子信息设备的计算能力,已经接近我们实际运用需求的预期了。

  

  传统计算机的计算单位以比特命名,量子计算机以量子位命名。过去,研究者认为在某一类简单的量子系统中,“纠缠”的程度最好和量子位数的对数成比例。

  “人们其实并不关心系统的物理属性,系统在实验室条件下能实现什么才是大家关心的,比如系统日志的大小。”IBM沃森实验室的研究者表示,“我们所证明的是“纠缠”的规模是系统尺寸的平方根,它确实达到了指数级别”。

  这意味着原来1亿比特的量子计算机可以表述约10倍的“纠缠”数量,“纠缠”数量发生了指数级别变化。

  逻辑量子位与物理量子位

  这是因为在量子计算中,逻辑量子位和物理量子位之间存在区别。逻辑量子位是用于制定量子算法的抽象量子位。物理量子位是一部分物质,其量子状态是可控的,并且与其他量子位的量子状态相互“纠缠”。据说,拥有100个逻辑量子位的计算机已经超过了世界上所有常规计算机的计算能力。但是,这一点很难达成,对于通用量子计算机的理论设计而言,实现一个逻辑量子位需要100个物理量子位。多数物理量子位用于量子纠错和逻辑位之间的编码操作。

  由于保持大量子位组之间的“纠缠”是开发量子器件最大的障碍,因此从更小的量子位簇提取更多的“纠缠”可使量子计算装置更实用。

  量子位类似常规计算机中的比特位,但是比特位可以取值0或者1,量子位可以被“叠加”。这意味着它同时可以采取2个值。如果量子位被“纠缠”,它们可以同时承担所有可能的状态。一个量子位可以采取2个状态,两个量子位有4状态,3个有8个状态,四个有16个状态……从某种意义上说,评估“计算替代力”赋予量子计算机非凡的能力。

  在新论文的工作中,来自MIT的Peter Shor和Movassagh主要负责分析被称为自旋链量子位的系统。在量子物理学中,“旋转”描述了电子、原子或者分子磁场中定向的方式。Shor和Movassagh认为量子位可以有5种自旋状态:两个向上状态,两个对应向下状态,以及0或者称平坦状态。

  理论科学家其实已经证明自旋中的强纠缠,具有21个自旋态,并以复杂的方式彼此相互作用。但是,这样的系统在实验室中极难构建。

  自旋链

  一个自旋链可以被设想成彼此相邻排列的粒子序列。自旋链间的相邻颗粒的相互作用决定了系统的总能量。

  首先,Shor和Movassagh发现了所有净能量为零的自旋链的所有可能的集合。这意味如果某处有一个向上旋转,那么另一处一定有个向下的旋转。

  然后,他们考虑了自旋链的所有可能状态的叠加。但是,该论文的主要突破是将叠加转换为哈密尔顿算子的最低能量状态。

  哈密尔顿算子是在描述量子系统演化的标准时的一个矩阵。对于系统中的任何给定状态的粒子而言,哈密尔顿算子提供了系统总能量。

  Movassagh说,在过去的30年,没有人找到一个哈密尔顿算子的粒子,其最低能量状态非常多样。另外他说:“起初,我们想证明一个不同的问题,试图提出一个模型,证明一些关于纠缠的一般定理,一直失败;但是,由于失败,我们的模型变得越来越有趣,有些模型开始违背这个对数因子,最后,我们接受了这个事实。”

  来自弗吉尼亚大学的教授IsraelKlich说:“这是一个漂亮的结论,它确实激起了物理学家部分领域的兴趣,其结果非常简洁。这个相对简单的哈密尔顿算子的基态可以通过简单的组合方法来理解。受到这项工作的启发,我们最近在这个模型上引入了一个更加复杂的新变体,其实际上是“纠缠”的线性放缩。其可行性的原因在于,如果看看基态波函数,便很容易理解“纠缠”如何建立。这一点给了我们想法,如何串起更多‘纠缠’。”

  但是,来自牛津大学的JohnCardy认为MIT研究者的哈密尔顿算子并没那么简单。当我们有了物理上合理的哈密尔顿算子时,我们可以把它们写在表达式中,但是,想彻底解释这些元素的组合时,仍需要我们去探索。这其实就是科学发展的方式——你先找到一个样例,然后你可以找到其背后更多理论。

  编辑:谢伟伦

  参考:http://news.mit.edu/2016/simple-quantum-computers-1118

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责任编辑:刘军
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