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超导量子计算机的宽度是多少?|亚博网页版界面登陆

by admin on 2020年12月21日

本文摘要:那是因为量子计算机很难组装在一起。超导线路中包含的量子“CPU”在某种程度上也需要这些元件,但这些元件是超导系统的特殊非线性元件,如超导材料制成的电容、电感、约瑟夫森结等。一般来说,超导量子计算机处理器安装在类似的冰箱里,加热到-27313(20mK),加上各种屏蔽措施,隔绝外界噪音。

超导

在大数据时代,量子计算机被称为信息技术改革的速度。大家都听过摩尔定律——。每18个月,集成电路芯片上构建的电路数量翻一番。

虽然这不是一个严谨的科学规律,但也反映了信息大数据时代人类对于计算能力指数快速增长的期望。但可以认同的是,现有的基于半导体芯片技术的经典计算机,总有一天无法降低芯片构建密度,而总会无限大于物理无穷大,这可能会使其更难以满足日益增长的市场对数据处理的需求。

尤其是面对一些极其简单的计算问题,比如大数分解、量子多体系统仿真等,可能要过几千年经典计算机才能计算出来。因此,人类有必要探索计算能力突破现有经典计算机的新一代计算机,量子计算是最不引人注目的方向之一。我们告诉经典计算机用所谓的“位”来响应信息位,这些位要么是0,要么是1。在某种程度上,量子计算机必须用“比特”来响应信息比特,但他无法解释的是,这个比特可以处于一个给定的0-1的变换状态,这就是我们经常听到的“量子变换”。

信息

这是什么意思?我们来做一个很简单的小比较:假设一台经典电脑有两位,在某个时刻,它最多不能响应00、10、01、11四种可能中的一种;量子计算可以写出来是因为它的变换,即可以同时响应四种信息状态。不要低估这个额外的三重信息,我们可以想象,如果它是两个比特呢?对于经典计算机,n位只能处于2N态之一,而对于量子位,对于给定的标度变换,n个量子位可以处于2N态。理论上,如果我们对N比特的量子变换态展开算符,就有可能同时同等操纵2N个态。也就是说,随着可控比特数的减少,信息的存储和运算速度不会呈指数级下降,经典计算机将远远落后。

据科学家估计,在处理一些具体问题时,一台50位的量子计算机将打破目前最弱的超级计算机。一起打造不容易。

既然量子计算机听起来这么牛逼,为什么不赶紧出来?那是因为量子计算机很难组装在一起。微观粒子的量子性质往往很弱,更容易受到外界温度和电磁场的阻碍,无法操控和观察。几十年来,科学家们尝试了各种可能的方案来建造量子计算机,包括超导电路、光子、冻结原子、离子阱、光学晶格、量子点、核磁共振等等。

其中,超导量子计算的方案近年来备受关注。超导系统在用于构造量子计算时有一些独特的优势:在超导体的类似系统中,电子仍然被视为微小而不稳定的粒子,被“凝聚”成一个整体状态,从而可以在宏观超导线上观察到神秘的量子特性;在实验中,超导量子处理器被制作在一个尺寸为几毫米的液体芯片上。利用成熟的微纳加工技术,可以设计制作各种超导量子电路,也便于集成。

量子位

03超导量子计算机的宽度是多少?大家告诉我们,经典电脑里的器件是一些半导体晶体管。对于一个经典的CPU,电压的强弱表示“0”或“1”,通过这些半导体元件和电路可以构造出“与”、“非”和“或”等各种逻辑运算。超导线路中包含的量子“CPU”在某种程度上也需要这些元件,但这些元件是超导系统的特殊非线性元件,如超导材料制成的电容、电感、约瑟夫森结等。其中最有意思的是这次约瑟夫森聚会。

在以前关于超导的流行科学中,小莫和每个人都拿着这个神秘的物体,叫做约瑟夫森聚会,它就像一个三明治,两个导体中间垫着一个薄绝缘体,电流可以穿过它。然而,由于量子力学的原理,这个约瑟夫森结仍然有许多神秘的效应。在很低的温度条件下,电子的不道德性可以看作是一个二能级系统。

这个二能级系统就像电子居住的二层——。有可能在上层寄居,也有可能在下层,也有可能同时在两层,也就是生活在“转换态”,这是一个很好的量子位。另外,电子的电荷态也可以用0,1或者0和1的跃迁态来响应,这两者都可以用来很好地响应量子位。

基于这个基本单位,量子位之间的耦合是通过增加电容和电感来构建的,电容和电感应该由可以构建不同市场需求的量子来计算。实际上一起建造,超导量子计算机有相当大的优势。

约瑟夫森结和其他包含超导电路的元件是通过光刻、电子束曝光、沉积镀膜、光刻等一系列薄膜微纳加工技术制成的。所有这些工艺步骤都与现有的半导体芯片加工技术非常相似,因此超导量子器件更容易加工、构建和组装,甚至可以在设计和建模阶段与现有的成熟半导体芯片技术相结合或使用。但是超导量子位是一个精致的“豌豆姑娘”,它的量子态非常弱,即使很小的外界扰动也能破坏量子态,所以要严格防止外界噪声阻挡,这样才能延长超导量子位的寿命。一般来说,超导量子计算机处理器安装在类似的冰箱里,加热到-273.13(20mK),加上各种屏蔽措施,隔绝外界噪音。

只有在近乎稳定的环境下,超导器件暗淡的量子特性才能体现出来。然后,我们通过连接到量子处理器的控制和观察电路,操纵量子CPU上的每个量子位,构造各种量子算法,完成了简单的计算任务。

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