量子桥——新的量子发射器可能会彻底改变量子计算

美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratory)的研究人员与哈佛大学(Harvard University)合作，开发了一种在原子规模上将量子计算机连接在一起的方法。这对未来的量子计算机及其能力意味着什么?

量子计算机加入

量子计算机经常出现在耸人听闻的新闻报道中，以至于关于它们的报道变得过时了。尽管量子计算机在未来的计算领域具有非凡的潜力，但它们不太可能在10年或20年内得到商业应用。

然而，与哈佛大学合作的桑迪亚国家实验室的研究人员已经开发并演示了一个量子桥，两个小型量子计算设备可以在原子尺度上相互通信。

量子计算的简要说明

在经典计算中，数据表示为off(0)或on (1) In二进制单元称为比特。这个事实导致了创造逻辑门谁操纵这些位来执行操作从数学函数到逐位比较。例如，微控制器可以比较两个输入引脚并在输入相等时启动电机。这就要求控制器对输入端执行逻辑和绑定，并将结果绑定到电机控制上。

量子计算机，但是，不要使用离散位来表示信息。相反，量子计算机依靠粒子(如电子、光子甚至原子)的量子特性来存储a量子位。存储在一个量子位元中的信息取决于它的量子位元状态，量子位状态被表示为一个概率为0或1的线性区域。我们更容易认为一个量子位元有三种状态:

• 0 -关闭
• 1 -在
• S -叠加

布洛赫球用来表示一个量子位。图片由Glosser.ca(的工作)3.0 CC冲锋队]

量子位的一个问题是，当它们被直接读取时，它们的叠加态就会丢失。换句话说，如果一个原子处于叠加态n，被读取时，它会变成1或0。

读取量子位元的一种方法是利用两个粒子相互连接的量子纠缠。一个粒子的状态依赖于另一个粒子的状态，反之亦然，所以，通过读取一个粒子，你可以推断出另一个粒子的状态。

量子发射器和钻石

量子计算的一个问题是需要两个独立的量子计算设备来交互和传输数据。量子发射器是用光子“抽运”来激发它们的电子的原子。最终，被激发的电子回到它们之前的能量状态，并在它们经历这种能量变化时发射出光子。能量变化表示量子发射器所包含的量子信息，该信息不影响发射器的量子状态。

所以现在我们有了一个量子位，它可以存储量子信息，并且读取时不会丢失它的量子态。下一个问题是如何制造和控制单个量子位元。

桑迪亚大学和哈佛大学的研究人员已经开发了一种创造量子位元的方法以一种前所未有的方式展现出令人兴奋的量子特性。

要使量子位可靠，它必须不受外部影响，如电荷、场和力的影响。量子位也必须能够在读取时保留其量子叠加，这样信息就不会在操作过程中丢失。最后(从制造的角度来看)，量子位的创造应该在可控的情况下是可能的(而不是依靠运气)。

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为了解决这些问题，研究人员使用粒子离子束将钻石中的碳原子替换为单独的硅原子。当金刚石中的一个碳原子被单个硅原子所取代时，相邻的两个碳原子开始离开晶界并最终离开。这一间隙使得硅基本上可以像悬浮在气体中一样漂浮，同时由于相邻的不导电空隙，硅可以缓冲杂散电流。由于硅位于钻石表面之下，硅原子被保存在一个特定的位置，并且很容易被外部光子访问。

持有硅发射体的金刚石孔的表示。图片由桑迪亚国家实验室。

离子束的优点是，通常量子发射器(金刚石中的硅)是随机缺陷的形式，科学家必须定位。不仅这些排放者很难找到，而且并非所有的排放者都能像预期的那样工作。离子束方法产生了数千个可靠的量子比特，这些量子比特都可以产生工作设备。

当这些硅原子被光子泵浦时，从硅原子发射出来的光子包含了频率、极化和强度方面的量子信息。

量子计算机的未来

硅发射机背后的研究人员相信，未来的量子计算机将不再由强大的大型量子设备组成，而是由许多简单的量子设备并行工作。这种设备可能是一个更好的解决方案，目前的电力需求上升的计算机，特别是当制造大型通用q位量子计算机很困难。

考虑到现代处理器，这种并行性的使用并不奇怪。在过去(Intel 4004之后)，cpu变得更加强大，因为它们有更多的指令，而且计算速度比它们的前辈更快。

但是现在,处理器速度已经下降，基本上不再增加(其上限接近5GHz)然而计算仍然变得更加强大。这要归功于现代计算机中并行处理的使用，不同的处理器可以同时处理不同的任务。如果用目前的技术大规模生产大型多量子位量子计算机太困难，那么制造更多简单的设备，但将它们连接起来可能是一个更好的选择。

不管怎样，毫无疑问，这些量子发射器将成为未来量子计算设备的关键。