当量子计算遇上超导:一场美丽的邂逅
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量子计算是一种全新的计算范式,有望为人类提供超乎想象的计算能力,从而为各个领域乃至我们日常生活带来极其深远的影响。随着一些科技企业巨头的加入,人们似乎能感觉到量子计算机已经距离我们不远了。本文试着回答如下几个问题:什么是量子计算?量子计算能干什么?如何实现量子计算?如何用超导体来做量子计算机?我们距离通用量子计算机还有多远?希望读者们读完之后,能够对量子计算有一个正确的认识,合理的期待!
我们的感官是牛顿力学的,我们的世界却是量子的
人类大约从6万年前开始认识这个世界:通过眼耳鼻舌身来感知,然后在大脑中建立模型,以便于我们能够适应这个复杂而险恶的星球,世世代代繁衍下来。
我们身体自然进化出来感官,比如眼睛、耳朵,都是感知宏观物体的,所以当三百多年前牛顿发现力学三定律和万有引力定律之后,人们变得雄心万丈,以为已经找到了撬动地球的那个支点。直到一百多年前物理大厦的两朵乌云出现,我们才终于慢慢意识到,现实世界底层其实是量子的。而量子现象是违反我们的常识的。
又经过了一百年,我们对量子操控和测量技术越来约娴熟,终于,科学家们发出了世纪之问:假如量子世界由我做主,我们能做哪些原本不可能的事情呢?——用量子来做计算,就是其中最大胆的一个想法之一。
什么是量子计算?
如何实现量子计算?
如何用超导体来实现量子计算?
a)超导约瑟夫森结;b)约瑟夫森结在电路中的表示;c)约瑟夫森结的电路模型(RSJ模型);下图为约瑟夫森势能随相位的变化。相位可以看成一个在势能曲线上滚动的粒子。在其中一个势阱(势能极小值附近)内,会形成分立的能级,不同能级之间的跃迁对应不同的相位振荡频率。利用这种非线性能级系统中最低的两个能级,就可以构造一个量子比特。
A)超导量子比特的通用等效电路;B)典型能级结构;C)已经发展出的多种超导量子比特在参数空间中的分布情况。
目前最流行的transmon/Xmon量子比特。
一个多比特超导量子芯片的照片,图中用不同色彩标出了不同的电路元素,包括量子比特、读出谐振腔、读出总线传输线等。
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