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并不是所有的量子位都很小

第三个系列:甚至量化大超导体。

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金刚石氮-空位中心提供一个有吸引力的量子Qubits实现,提出了许多其他系统。理论上,至少,任何具有明显可识别量子状态的系统都可以为目的服务。挑战在于找到一种系统,其中可以通过外力操纵和测量这些状态,并且可以在足够大的数字中制造实际计算。

集成电路的制造技术自然适合于薄膜结构的大批量生产,研究人员确实已经研究了基于半导体量子点的量子位。然而,正如在氮空位中心的讨论中所看到的,缩放到大量依赖于短程相互作用的非常小的电路元件是有问题的。本文讨论的另一种方法,寻求利用超导体的宏观量子行为。

在超导体中,所有电阻在某一临界温度以下消失。在超导状态下,传导电子形成有序电子对,称为库伯对。当晶格振动仍然存在时,它们有效地推动电子前进,而不是阻碍它们的进程。超导物理超出了本文的范围,但它有一些与潜在的量子位器件相关的暗示。例如,在过渡到超导状态时,磁场从材料中被驱逐出去。此外,通过超导材料回路的任何磁通量都是量子化的:外部磁通量与回路中电流诱导的磁通量的组合将是该磁通量的倍数磁通量量子H/ 2E.)。

因为超导体没有阻力,所以在环中诱导的电流在保持中无限期地持续,只要保持临界温度即可。此外,这种行为与环的物理尺寸无关:它可以是直径几微米,或几米。超导线圈用于世界上最强大的磁铁的制造中。

这些行为导出超导性的性质:Cooper对的形成,量子现象,在宏观规模上进行。然而,实现Qubits需要某种非线性元素。需要存在多个能级,并且它们之间的非线性间距是必要的,以区分所选择的基态(| 0> 1>)和系统的其他能量状态。在超导体中,这种非线性元素是约瑟夫森交界处

Josephson交叉路口添加非线性

约瑟夫森结是两个超导导线之间的弱连接,例如一层氧化铝2在两个铝段之间。它必须足够薄以允许量子隧道,具有由绝缘体的介电性质和厚度限定的屏障高度。超导Qubits通常由铌,铝或相关合金制成,并且具有10个keelvin(-263℃)或更低的临界温度。具有高达138k(-135°C)的临界温度的超导体确实存在。对于许多应用来说,高临界温度是可取的,因为它们降低了冷却成本。然而,对于额度,必须尽可能地消除尽可能多的潜在噪声源。大多数提出的Qubits,超导或不,在Millikelvin温度下运行。

最简单的超导量子位设计是一个连接到电感的Josephson结的循环。将正弦磁脉冲应用于电感器,在环中引起持续电流,其在顺时针和逆时针方向的叠加中流动。该装置是RF鱿鱼的特征在于,并且在商业上在需要极其灵敏的磁场测量的应用中使用。它是宏观装置,其中不量化电感和绝缘屏障的厚度的参数:它们可以在电路设计和制造过程中调整到任何方便的值。

在某些方面,这种灵活性是一种恩惠。rf - squid不需要原子级沉积、最先进的光刻或其他纳米级工艺步骤。典型的尺寸是微米级的。另一方面,该器件与任何其他模拟薄膜电路元件一样,面临所有相同的工艺变化源。介质厚度和纯度、金属尺寸等可能因设备的不同而有所不同。这又会导致电感和隧穿势垒高度的变化,这两个关键参数定义了量子位的行为。

不同的观点:能量和通量

如上所述,更确切地说第1部分在这个系列中,任何量子位都必须有两个明确定义的状态,|0>和|1>。这些状态的物理解释取决于所使用的系统。在基于金刚石中氮空位中心的量子位元中,这些态是由与中心相关的电子的能级导出的。在基于约瑟夫森结的量子位元中,存在两种可能的基态集更详细地哈里斯和他的同事在D波系统

基本的RF-SQUID的哈密顿量可以写成:

哈密顿

哪里Q.问:是否在交界处C积聚电荷问:是结电容,和V(φ问:)是势能作为跨越结的相变的函数。对于适当选择的器件参数,势能将是双稳态的,在两个局部极小值之间有一个势能势垒。|g>和|e>这两种状态构成了量子比特的“能量”基础。

另外,“通量”基使用能量本征态的对称和反对称组合:

基础 基础标准

基础的选择不会改变Qubit的基础物理学:两个基本态描述了相同的设备,以相同的方式行事。然而,基础的选择对周围计算系统的设计具有影响。使用能量基础有助于长期相干时间,因为所涉及的能量状态在面对噪音时相对稳定。磁通基数提供了两个重要的设计优势。首先,因为它不依赖于能量状态的操纵,所以所有计算都可以在其热力学上有利的地位中与系统进行。其次,使用磁通基通过诱导,促进QUBBit状态的操纵,特别方便的控制和读出机构。

不幸的是,系统中的电感受过程变化的影响,使得使用磁通基的计算更加敏感。Harris和同事讨论了对基本RF-SQUID设计的修改,该设计可以在保持系统量子特性的同时补偿过程变化。

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图:D波系统处理器的单位单元,显示Qubits数组。图片礼貌D-Wave Systems,Inc。

系统中还有其他噪声源。其中之一,有点令人惊讶的是,对于一个在密氏温度下工作的系统,是热。虽然该系统的超导元件是无损的,但工作电路还需要电阻、电容和其他常规元件。这些物质耗散能量,导致局部加热。导热系数随温度升高而降低;在绝对零度附近运行的系统散热效果不好。局部加热增加了噪声,降低了量子叠加。更糟糕的是,它可能对系统的健康和可靠性造成危害。从正态到超导的转变是不连续的;临界温度之上的正常状态电阻可能很大。 If the critical temperature is exceeded, the sudden transition to the normal state can cause potentially damaging thermal and mechanical stress.

FLUX基础也提供了重要的算法优势。Qubits可以被视为相互作用的磁旋流,是物理学家称为的系统伊辛自旋玻璃。对实际量子计算算法的大多数讨论都具有基于栅极的计算,类似于传统的数字逻辑。然而,作为D波系统的首席科学家作为Eric Ladizinsky,所解释的是,ISING模型基本上是一种热力学优化问题。因此,它可用于描述具有相互作用组件的各种系统,从气液相转变到城市隔离等社交现象。这里描述的超导Qubits系统不仅仅是模拟inding旋转玻璃,它第一,可能为这类问题提供一个计算上优雅的解决方案。D-Wave Systems公司的研究人员将这种方法描述为“绝热量子优化(AQO)处理器”。D-Wave声称,AQO实际上已经在商用硬件中实现,而基于门的计算系统尚未实现。本系列的下一篇也是最后一篇文章将考虑这两种方法在算法级别上的区别,以及它们的优缺点。



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[…]在临界温度下消失,导电电子形成有序电子对,称为库珀对。当晶格振动仍然存在时,它们可以推动电子前进,而不是……

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