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這篇乾貨,獻給不能參加公眾科學日的你!

這篇乾貨,獻給不能參加公眾科學日的你!

今天是物理所的公眾科學日

現場十分熱鬧

然而

並不是所有人都能到場參與

有不少朋友連網路直播也無法觀看

沒關係

小編今天特意為你們準備了一篇乾貨

獻給不能參與公眾科學日的你

你們覺得小編貼不貼心呢

是不是應該好好誇誇小編呢

小編這麼好

大家一定要認真看完哦

廢話少說

一起燒腦讀乾貨吧

玻色採樣與離子阱量子計算機介紹

玻色取樣

玻色取樣(boson sampling)是由計算機科學家S. Aaronson 和A. Arkhipov於2013年提出一種快速計算矩陣的常值方法,主要原理是對經過線性器件處理的玻色子的概率分佈進行抽樣分析(敲黑板,這裡要記住這幾個名詞),從而可以很快的求出一個n x n維矩陣常值的方法。

在數學和計算機領域裡計算一個比較大矩陣的常值一直都是一件比較困難但很重要的事,因為它關係到對多項式的求解,那麼什麼是矩陣的常值呢?矩陣的常值就是一個矩陣上對角元素乘積的和,我們以2X2和3X3的矩陣為例子:

如果只是計算一個2、3維矩陣的常值是一件很容易的事,但是當我需要計算一個高維矩陣時,事情可就沒那麼簡單了。(感興趣的小夥伴可以試著計算下面這個矩陣的常值)

我們知道自然界中的粒子分為玻色子和費米子,而光子屬於玻色子,這樣我們就可以運用光子實現玻色取樣實驗。

有了上述的概念我們就來看一看波色取樣怎麼解決求矩陣常值的問題吧。首先我們把線性光學器件組合成一系列的操作,暫且記為U,這樣對被操作光子的態的改變就為U,我們用一個光子探測器就可以很容易的探測出這個操作,跟傳統計算機一樣,我們的光學系統也有輸出和輸入位,我們把從輸入位1到輸出位2的光子操作記為這樣兩個光子經過這個量子線路的過程就如下圖:

我們可以看到從1,2輸入位置的兩個光子到2,3輸出位可以有兩種走法,我們把這兩種走法得到的結果加起來就是一個2 x 2矩陣的常值:

那麼對於三光子計算一個3 x 3矩陣會有幾種走法呢?

1…2…3……沒錯!竟有6種走法!(答案見下圖)

經過線性光學器件的光子就像高爾頓板里的小球,經過足夠多次的實驗我們就可以得到各出口的穩定的分佈,這樣我們對其採樣就可以比較精確的求出結果。

高爾頓板

值得指出的是玻色採樣計算機並不是一種嚴格意義上的通用量子計算機,雖然它用到了量子力學中全同粒子的概念但是並沒有用到量子比特的概念,它是介於經典與量子之間的計算,但是這種計算已經足夠證明量子計算的優越性了,所以以這種辦法來顯示量子霸權是很直觀的。

離子阱量子計算機

離子阱量子計算機

我們知道原子是構成這個宇宙中物質的基本單元,如果從原子上拿掉最外面一個電子,那麼原子就變成一個帶正電荷的離子了。

鈉原子變成鈉離子

在通常情況下離子並不會太穩定,因為它會從環境中重新得到一個電子而變回原子,但是如果我們用適當的手段把一群離子束縛住讓他們排成一排並且不與環境作用(想象一下把小球放到碗里),那麼被束縛住的離子之間由於電荷相同而互相排斥,當一個離子運動時其他離子會受迫而跟著運動。

阱內振動的離子類似於牛頓擺中的小球

通常在離子阱量子計算機內會束縛一列離子(一般是鹼金屬離子),這些離子在一個由導線圍成的籠子內懸浮著,當我們用一束激光使一個離子振動時,那麼它鄰近的離子就都會振動起來,這樣整個阱內振動的離子就可以作為量子邏輯門了,而運算的結果就是運動離子激發出來的光子,這樣我們就能以光的形式得到輸出信號了。

離子阱量子計算機原理圖

說完了離子阱計算機的工作原理,我們再來看看離子阱計算機內可以實現的量子比特的種類。

由於阱內離子內部自旋為0,其軌道上由於塞曼效應會對應於兩個態,如果將量子比特編碼於這兩個態上那麼就對應於在外部磁場下價電子自旋指向平行和反平行的兩個態,塞曼量子比特的優點是其內部的兩個塞曼態的自發衰變幾乎沒有,並且由於兩個能級對應於同一軌道,所以能級間不會發生光學泵浦(也就是在外加場下更穩定),但是缺點是外部磁場雜訊會造成退相干。

3

超精細量子比特(Hyperfine qubit)

在奇數同位素或無核自旋的偶數同位素中,軌道會分裂出兩個超精細態(hyperfine states),這樣我們可以將一個量子比特編碼到任意一對超精細態上。超精細量子比特的優點是其編碼能態的分離並不依賴於磁場,這樣在無磁場的情況下依然可以編碼。

3

光學量子比特(Optical qubit)

由於離子具有較低的D軌道,因此我們可以將量子比特編碼於與S軌道到D軌道之間的光傳播相關的軌道上。由於D軌道的壽命達到了秒量級,所以光學比特的相干時間是要遠遠大於對其的操作時間,但是光學量子比特的缺點是它要求激光的線寬是有限的,這在實際操作中帶來了很多的不便。

總的來說,離子阱量子計算是當今最成熟的技術之一,已經發展超過20年了。不論是量子比特初始化,量子邏輯門還是量子比特的讀出技術都發展得很好。其存儲時間也是非常長的,足夠實現超過1000秒以上量子邏輯門操作,並且可以重複編程。但是它的缺點也是有的,例如不能快速操作,需要多束激光來維持等等。

與超導量子計算機相同,離子阱技術也是量子計算領域極富挑戰性的複雜技術,同時又是特別有希望實現通用量子計算的實驗平台之一,掌握比肩世界先進水平的離子阱技術對於在未來在量子信息方面的國際戰略競爭中具有重要意義。

感謝向濤院士、范桁研究員對本文提出的修改意見

編輯:山寺小沙彌

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