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量子计算机攒机指南

2018-11-13 15:12 次阅读

攒机不是技术活,我行你行大家行

又到一年一度的双十一,今年人民教育家马爸爸又给我们带来了新的点赞游戏,用别人的平台赚自己的钱,真的想问哪位产品经理设计出来的,我很期待“有梦想谁都了不起的”的Pony老板又会安排被微信小游戏耽误了的“高尔夫冠军”张小龙会制造出什么新的“Ali断舍离”措施。

那么,作为C114 Future部量子研究所的二号研究员我决定给大家一篇,毕竟普通的双十一已经满足不了中国人民了。

首先,作为一名普通用户,目前市场可以合法购买的只有D-wave的量子计算机,价值1500万美元的整机显然不符合我们动手攒机的行动准则,Pass。

至于Dakyo君在上篇中介绍的Microsoft的拓扑量子计算机八字还没一撇,Pass。

接下来,我们来看超导量子计算机,看起来不错,不仅理论体系成熟,而且Google和IBM都已经成功打造出不同量子比特(Qubit)数的原型机。

但如上图所示,太占地方,考虑到大家的财务情况不太可能包下一栋楼来攒机(心疼你们一秒),显然没有性价比。同理,牙膏厂的量子芯片也Pass。

接下来的选择就不多了,例如,清华大学的NMR量子计算机,尽管核磁共振技术已经有70多年的发展历史,但应用在单量子操纵上,情况不慎良好,射频脉冲不可能不影响到其他量子比特,Pass。

那么,这里我将为大家推荐一种高性价比的量子计算机攒机方案,这也是清华大学姚期智教授领军的交叉实验室所选择的方向——“钻石”量子计算机。

在今年九月的国际量子密码大会上,姚期智教授在演讲中提及,“比起离子阱和超导技术,选用钻石材料制造的量子计算机所占的空间要小得多。而且作为固态量子计算机,金刚石材料更具代表性,不仅物理结构更加稳定,在实验当中相干时间也更长,保持了10分钟之久。”(当然,相干时间并不代表你操纵量子比特时真正能够用来运算的时间,我在后面会提到。)

大家来攒机吧

虽然,我们不用考虑牙膏厂还是农企的显卡,但是无论选用上面何种手段,必须要考虑的问题是——良好Qubit的制备。

所谓Qubit,区别于传统的0和1,并不仅仅是0和1的叠加(Superposition),而是0-1之间一切位置的叠加,如同用1、0仅仅是高、低电平的数学形式。而且叠加同样仅存在于不对其干扰(无论是观察还是测量)的时刻。

感谢海森堡,我们仍未知道那天所藏的猫的生死。

钻石除了恒久远之外,实际上拥有着令人惊异的优质属性,除了众所周知的稳定结构之外,在Qubit制备方面,更有着其他方案难以企及的优势——无需冷却液,你甚至在室温环境即可制备Qubit,简直是攒机首选。

Crystals are like people,it is defects in them which tend to make them interesting!

——Colin Humphreys

正如英国物理学家Colin Humphreys所说,钻石就如同人一样,正是它的缺陷让它更加迷人!

氮晶格空位中心钻石(Nitrogen-Vacancy center diamond)示意图

你甚至不需要用到一颗完美的钻石,惊不惊喜,我们需要的是有独特缺陷的钻石,这是一种被称为氮晶格空位中心钻石(Nitrogen-Vacancy center diamond),这种结构更加适合捕捉电子,并且由于空位的存在会与相关的自由电子的“自旋”产生叠加态,自发的构成Qubit。除了制备Qubits外,科学家也在研究其作为量子中继器,跨越长距离保持脆弱的量子信息的可能性(好了,闪存和硬盘的问题也解决了)。

当然,有缺陷的钻石也是钻石,似乎不太满足我们高性价比的标准,接下来才是这个方案的核心内容。

在我的BGM里你甚至能自己造钻石!

是时候点赞评论转发一波了。

在实验室里,你可能得到的是一台微波等离子设备(Microwave plasma chamber),但实际上,你只需要一台家用微波炉即可,毕竟二者频率、功率都差不多。唯一麻烦的一点是你需要制造一个真空环境来点燃等离子体,但众所周知,真空环境用压缩袋抽一抽就可以制造了。

真的和家用微波炉差不多的,你们相信我

接下来就是初中化学知识,整点甲烷作为碳载体混入氢气放入微波炉(有关氢气的制备,请参考马特呆萌所著《我在火星那旮旯上的五百多天》),从而制造出CH3基团来打造钻石的基础晶格,只需三天你就能打造出一个直径10毫米左右。

(考虑的你们的真空环境,可能达不到这个标准,不过我们的量子计算机也不需要太大的钻石,3、4毫米便可用于测试了,微波炉大概转两天就可以了,毕竟电费也在我的考虑范围)

很多人都在这一步失败了,失败的原因并非他们的实验设备、或者环境出了问题,而是他们把做好的钻石拿去卖了?这不是双十一回血指南,专心攒机好吗!

答应我,好好攒机

然后,你去超市买一把离子枪(Ion Gun)射向钻石就可以制造出完美需要的有缺陷的钻石了。

当我们有了“完美”钻石,能够制备良好的Qubit时,我们需要的是制备更多的钻石。不对,是Qubit,并使其两两纠缠。如果说叠加赋予了量子不屈的灵魂,量子纠缠(Entanglement)则是量子霸权的强健躯干。

2012年时,这种钻石量子计算机被科学家成功打造出来,当然在当时仅有2个纠缠的Qubits,但依然成功运行了Grover算法,并且保持了95%的成功率。

接下来,你只要再制备3998个完美纠缠的Qubits就能破解目前一切的RSA加密算法,网络不是法外之地,大家自重。

到这里,让我们检查一下制备一台量子计算机的必备清单:

明确定义的良好Qubits:标准先行 有质有量 √

可初始化的系统:完全操控Qubits的状态——基态、叠加或是纠缠

量子电路门:能够运行算法

具有量子特性的测量:唯有测量才能赋予一切意义 测量即是输出结果

长相干时间:系统唯有稳定,方能持续有效 √

当我们有了良好的Qubits之后,我们便可以试着操纵它们,当然你需要置购或者租借一台可以激光脉冲发射装置,通过激光可以观测钻石中Qubits的状态,并通过脉冲初始化或者激活系统,便于重复实验。同时,微波脉冲可以赋予其叠加或者纠缠的状态(钻石量子计算机Qubits的相干时间的确可以保持的很长,但当我们使用/干扰它们时,留给我们的时间仅有毫秒级,即使如此也够运行程序了,如果能保持在液氮温度下,则可以将时间延长到秒级)。

在完美纠缠基础上,感谢半导体技术和激光技术的飞跃发展,作为量子电路的基本构建模块,在打造量子门这一步上,研究界已经非常成熟了。我们不仅可以通过激光器,分束器、磁场控制单元和移相器等来构建所需的量子门(选择不多,够用就行),科学家甚至研制出了能够“传送”量子门的装置。

再接下来,就是将电路嵌合到电路板上,这一过程MIT的研究人员们已经为我们解决了,甚至贴心的使用了硅基模板来方便我们打造QPU(Quantum Processing Unit)。

image:Dirk Englund和Sara Jarret,MIT

原文标题:围观:全球首篇量子计算机攒机指南

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