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超导量子计算

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超导量子计算是用超导电子电路实现量子计算。超导量子计算的研究由谷歌、IBM、IMEC、BBNTechnologies、Rigetti和英特尔等公司进行。截至2016年5月,在一维阵列中展示了多达九个完全可控的量子比特,在二维架构中展示了多达十六个。2019年10月,与谷歌合作的Martinis小组发表文章,首次证明了量子的优越性,使用了一个有53个超导量子比特的芯片。超过两千个超导量子比特在D-Wave系统公司的商业产品中,然而这些量子比特实现了量子退火,而不是量子计算的通用模型。

超导量子计算的背景

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经典的计算模型依赖于符合经典力学定律的物理实现。然而,众所周知,经典描述只对有大量原子的特定系统准确,而对自然界更普遍的描述是由量子力学给出的。量子计算研究的是量子现象的应用,这些现象超出了经典近似的范围,用于信息处理和通信。存在各种量子计算的模型,然而最流行的模型包含了量子比特和量子门的概念。量子比特是比特的概括--一个有两种可能状态的系统,它可以处于两种状态的量子叠加中。量子门是逻辑门的概括:它描述了一个或多个量子比特在给定其初始状态后,在门上所经历的转变。量子比特和门的物理实现是困难的,原因与量子现象在日常生活中难以观察到的原因相同。一种方法是在超导体中实现量子计算机,在超导体中,量子效应变得宏观,尽管代价是极低的操作温度。在超导体中,基本的电荷载体是一对电子(称为库珀对),而不是普通导体中的单个电子。库珀对的总自旋是一个整数,因此库珀对是玻色子(而正常导体中的单个电子是费米子)。与冷却的费米子相反,冷却的玻色子被允许占据一个单一的量子能级,这种效应被称为玻色-爱因斯坦凝聚体。在经典的解释中,它相当于多个粒子在空间中占据相同的位置,并具有相等的动量,有效地表现为一个单一的粒子。在超导电子电路(即电元素网络)的每一点上,描述电荷流的凝结物波函数是由一个特定的复杂概率振幅明确定义的。在正常的导体电路中,对于单个电荷载流子来说,同样的量子描述是真实的,然而各种波函数在宏观分析中被平均化了,使得我们无法观察到量子效应。凝结物波函数允许设计和测量宏观的量子效应。例如,只有离散数量的磁通量子穿透超导环,类似于玻尔模型中的离散原子能级。

超导量子计算

在这两种情况下,量化都是复数振幅连续性的结果。与用于实现量子计算机的微观量子系统(如原子或光子)不同,超导电路的参数可以通过设置组成它们的电元素的(经典)值来设计,例如调整电容或电感。为了获得一个电路的量子力学描述,需要几个步骤。首先,所有的电元素都用凝结波函数的振幅和相位来描述,而不是用经典电路所使用的密切相关的宏观电流和电压描述。例如,空间中某一点的波函数振幅的平方是在那里发现电荷载体的概率,因此,振幅的平方对应于经典电荷分布。其次,广义基尔霍夫电路定律被应用于电路网络的每个节点,以获得运动方程。最后,运动方程被重新表述为拉格朗日力学,并得出量子哈密尔顿。

超导量子计算的技术

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器件通常在射频频谱中设计,在15mK(毫开)以下的稀释冰箱中冷却,用常规电子仪器处理,如频率合成器和频谱分析仪。典型的尺寸为微米级,具有亚微米级的分辨率,可以用成熟的集成电路技术方便地设计量子哈密尔顿。量子力学的一个显著特点是


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  1. 超导量子计算
  2. 超导量子计算的背景
  3. 超导量子计算的技术

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