基于钻石的量子加速器的量子应用

作者：Maurizio Di Paolo Emilio

华晨量子将在Pawsey超级计算中心安装基于钻石的量子加速器。利用合成钻石技术，昆腾华晨是一家由澳大利亚国立大学支持的澳大利亚初创企业。它正在研究室温量子加速器，这将使现在正在使用的复杂冷却和激光系统变得不必要。当前的技术可能是通向市场的解决方案的窗口。

华晨量子首席科学官马库斯·多赫蒂（Marcus Doherty）对EE Times表示：“作为帕西量子先驱计划的一部分，Pawsey和昆腾华晨将与其他澳大利亚行业和研究人员携手合作，以开发各种应用市场中的量子应用。”

Pawsey超级计算中心以从事干涉测量工作的天文学家澳大利亚科学家Joseph Pawsey的名字命名。该中心从事射电天文学，能源和工程学的研究。

Doherty补充说：“量子加速器的有希望的应用包括：大规模并行化的量子加速器，用于模拟分子动力学，从而为药物设计，化学合成，储能和纳米技术带来重大好处；边缘计算，量子加速器可以集成在计算资源有限的移动设备中，从而在国防和医疗设施以及自主和太空技术中实现了卓越的图像和信号处理。”

钻石用于量子计算

钻石可能代表了量子计算机实际实现的转折点之一，这归功于可以在原子尺度上利用它们的缺陷。这些缺陷使得可以存储无需改变其结构即可读取的量子位，这是阻止量子计算机变得实用的主要问题之一。以此方式，可能创建和使用能够存储量子位的基于菱形的存储器。

Doherty指出，我们可以在环境条件下使用Diamond进行量子计算的三个原因：

特定原子缺陷的显着特性-氮空位（NV）中心。即，其光学电子自旋初始化和读出机制在简单的非共振照明下仍保持高保真度和对比度。该技术与微波控制相结合，意味着它可以用于初始化，操纵和读取钻石中的高质量核自旋量子位。

钻石的极端性能和工程设计。由于合成钻石的极高硬度和纯度，几乎没有来自热振动和磁性杂质的噪音。因此，NV中心的电子自旋和核自旋量子位几乎没有退相干（在任何固态电子自旋下，它的相干时间最长）。这样可以实现计算机的高保真操作。

室温微波和宽带光学控制的简单性和鲁棒性。这使量子计算机极大地小型化，最终可以达到GPU加速卡的大小。

量子加速器

建造大规模量子设备将涉及组装大量高质量的量子比特，以及创建可靠的电路来在它们之间传输和处理量子信息。

与Google和IBM等技术巨头开发的量子计算机相反，昆腾华晨的愿景是将量子计算开发为一种日常技术，该技术可以部署在数据中心，医院，矿山，太空甚至笔记本电脑中。

“ Quantum Brilliance正在提供一种称为“量子开发套件（QDK）”的本地全栈量子计算系统。QDK是一款小型量子计算机，可满足客户当今对量子硬件现场访问的需求。QDK是国际上独一无二的产品，它是客户能够物理拥有和托管自己的仅有的少数量子计算机之一。QDK可以在室温下运行，降低成本，降低能耗，并且与客户现有的基于机架的数据中心基础架构兼容，从而降低了客户进入市场的门槛。”

超级计算机中的加速器量子（来源：Quantum Brilliance）

除了硬件外，Doherty还说，昆腾华晨提供了软件体系结构和仿真器，以帮助用户开发和测试用于量子加速器的集成和应用的软件，并评估其当前和未来的性能。“ Quantum Brilliance当前的软件架构基于XACC框架，该框架是由Quantum Brilliance的合作者在美国国家实验室专门为量子加速器开发的。华晨量子量子模拟器与其他量子模拟器的区别在于其钻石量子计算机的详细模型（例如，量子位拓扑，本机运算，错误和运算时间）以及在高性能计算系统上的可扩展性。这使用户能够以接近完全的量子比特数量体验当前和未来的量子加速器硬件的行为和性能。我们的高性能仿真器可帮助用户开发和测试用于量子加速器集成和应用的软件，并评估其当前和未来的性能。”

华晨量子技术追求NV（氮空位）钻石技术来创造量子比特。该方法将氮原子与碳金刚石晶格内的相邻空位结合在一起。该NV中心可以通过光和微波信号被迫进入这些状态的上旋，下旋或叠加，以控制量子位的状态。该技术的主要优势在于它可以在室温下运行，并提供稳定且不受环境噪声影响的高质量量子比特。NV钻石技术的历史挑战一直是难以扩展到更大数量的量子比特。

“如果将量子计算机的图像从量子大型机切换到足够小的量子加速卡以供您握在手中，那么您对如何使用量子计算机，将其应用于什么以及何时使用的想法它们将是有用的，并且会发生巨大变化。” Doherty说。

Doherty补充说，您不会问“什么时候该量子计算机将胜过传统的超级计算机”，而是问：“什么时候该量子计算机将胜过台式计算机中的CPU或GPU？”您将不会问“如何重新设计超级计算机以容纳量子计算机的设施”，而是会问“如何将数百个量子计算机集成到当前超级计算机的机架中？”，您甚至可能会开始问“如果我的卫星会怎样？ ，车辆，制造工厂或台式计算机具有一个或多个量子计算机来加速某些任务或使某些任务首次实现？”

尽管大型机量子计算机的部署受到大小，重量和复杂性的限制，但Doherty表示，华晨量子正在通过集中精力于性能，尺寸和重量可比的经典处理器上，寻求使量子计算更早地投入使用。这种方法极大地扩展了所有行业的量子应用范围。

Quantum Brillance的长期目标是在五年内开发一个包含超过50 qubit的处理器，这大约相当于图形加速卡的大小。因为他们的技术不需要稀释冰箱，而且体积很小，所以他们相信它们可以服务于许多市场，包括边缘计算和移动设备，这将对大型机量子计算技术构成挑战。

编辑：hfy