改变游戏规则？全新硬件方法革新量子计算范式

光子盒研究院

一种可能改变游戏规则的量子计算硬件理论方法避免了当前量子计算机中存在的许多复杂问题。

8月15日，洛斯阿拉莫斯特国家实验室报告了一种策略，可以在自然量子相互作用中实施一种算法，以比经典计算机或传统门式量子计算机更快的速度处理各种实际问题。

“Topologically protected Grover's oracle for the partition problem”

量子计算仍然是一个新兴领域，因为很难将长串逻辑门中的量子比特连接起来，也很难维持计算所需的量子纠缠。当纠缠的量子比特开始与计算机量子系统外的世界发生相互作用并引入误差时，纠缠会在一个称为退相干的过程中崩溃。这种情况发生得很快，限制了计算时间——量子硬件尚未实现真正的纠错。

Nikolai Sinitsyn（右）
洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家Nikolai Sinitsyn说：“我们的发现消除了量子硬件的许多挑战性要求。他是《物理评论 A》（Physical Review A）杂志上这篇关于该方法的论文的共同作者。自然系统，如金刚石中缺陷的电子自旋，恰恰具有我们的计算过程所需的相互作用类型。”
Sinitsyn说，研究小组希望与洛斯阿拉莫斯的实验物理学家合作，利用超冷原子展示他们的方法。现代超冷原子技术已经足够先进，可以用大约40到60个量子比特演示这种计算，这足以解决许多目前经典计算或二进制计算无法解决的问题。
新策略不是在必须共享量子纠缠的众多量子比特之间建立一个复杂的逻辑门系统，而是利用一个简单的磁场来旋转自然系统中的量子比特，如电子自旋。自旋态的精确演化就是实现该算法所需的全部条件。Sinitsyn表示，这种方法可以用来解决量子计算机所提出的许多实际问题。
新方法依赖于自然纠缠而不是诱导纠缠(induced entanglement)，因此它需要更少的量子比特间连接：这减少了退相干的影响。因此，量子比特的寿命相对较长。

量子计算机的计算速度比任何经典设备都要快得多，但迄今为止它们还极难实现。传统量子计算机实现的是量子电路——用不同的量子比特对进行基本操作的序列。
洛斯阿拉莫斯的理论家们提出了一个有趣的替代方案。
Sinitsyn说：“我们注意到，对于许多著名的计算问题来说，只要有一个具有基本相互作用的量子系统就足够了，在这个系统中，只有一个量子自旋（可通过两个量子比特实现）与其他计算量子比特相互作用。然后，仅作用于中心自旋的单个磁脉冲就能实现量子Grover算法中最复杂的部分。这种量子操作被称为‘格罗弗神谕（Grover's oracle）’，指向所需的解决方案。”
“在这个过程中，计算量子比特之间不需要直接相互作用，与中心自旋之间也不需要随时间变化的相互作用。一旦中心自旋和量子比特之间的静态耦合设定完毕，整个计算过程只需应用简单的随时间变化的外部场脉冲来旋转自旋即可。”

数字划分问题（NPP）是 NP 难（非确定性多项式时间完成）计算问题之一。实验团队描述了快速解决这个问题准绝热量子退火步骤。上图是绝热变化磁场的路径方向。

上图：退火时间表；下图：模拟的退火总时间的函数。
重要的是，研究小组证明了这种操作可以快速完成；研究小组还发现，他们的方法受到拓扑保护。也就是说，即使没有量子纠错，它也能抵御控制场和其他物理参数精度方面的许多误差。
参考链接：[1]https://www.miragenews.com/revolutionary-hardware-unveils-new-quantum-1065915/[2]https://insidehpc.com/2023/08/los-alamos-reports-hardware-approach-offers-new-quantum-computing-paradigm/[3]https://www.eurekalert.org/news-releases/998627[4]https://discover.lanl.gov/news/0815-quantum-computing-paradigm/[5]https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.108.022412

相关阅读：超导新时代：二碲化铀如何塑造量子计算？
下一代计算：嵌入AI的云/雾/边缘/量子计算
4 分钟看量子计算机将释放的无限可能！
量子计算正攻克21世纪的难题......
全新计算方法，打破经典 HPC 和量子局限

#光子盒视频号开通啦！你要的，这里全都有#
每周一到周五，我们都将与光子盒的新老朋友相聚在微信视频号，不见不散！

|qu|cryovac>你可能会错过：|qu|cryovac>|qu|cryovac>