用粒子加速器技术构建量子计算机的烦恼问题

超导射频空腔，例如这里看到的射频腔用于颗粒促进剂。他们还可以解决Quantum Computer成功开发面临的最大问题之一：Qubits的角度。

去年，费尔米尔的研究人员获得了比例为350万美元的项目，达到量子信息科学的蓬勃发展领域。由赠款资助的研究运行了域，从建筑和建模设备中进行建模，以便在Quantum Computer开发中使用Ultracold原子来寻找暗物质。

对于他们的量子计算机项目，费米拉布粒子物理学家Adam Lyon和计算机科学家Jim Kowalkowski正在与阿尔冈国家实验室的研究人员合作，他们将在高性能电脑上运行模拟。他们的作品将有助于确定称为超导射频腔的仪器，也用于粒子加速器，可以解决Quantum Computer成功开发的最大问题之一：Qubits的角度。

“费尔米尔开创了制造超导腔，可以将粒子加速到少量空间中的极高程度，”该项目领先科学家之一的Lyon说。“事实证明，这是直接适用于Qubit。”

该领域的研究人员在过去几十年中开发了成功的量子计算设备;到目前为止，这很困难。这主要是因为量子计算机必须保持非常稳定的条件，以保持称为叠加的量子状态。

叠加

古典计算机使用0s和1s - 名为位的二进制系统 - 存储和分析数据。八位组合制作一个字节的数据，可以串联成编码更多信息。（平均三分钟数字歌曲中有大约3180万字节。）相比之下，量子计算机不受严格二进制系统的限制。相反，它们在Qubits系统上运行，每个系统可以在计算期间采用连续的状态。正如原子核的电子轨道一样，原子核没有离散位置，而是在电子云中占据其轨道中的所有位置，可以在0和1的叠加中保持Qubit。

QUBITS可以是0和1的叠加，而经典比特可以只是一个或另一个。

由于任何给定的qubit都有两个可能的状态，因此一对可以处理可以操纵的信息量加倍：22 = 4.使用四个Qubits，并且该信息量的增加至24 = 16。通过这种指数增加，它需要300个纠缠Qubits来编码更多信息，而不是宇宙中的重要信息。

并行位置

Qubits不用与位相同的数据。因为叠加中的QUBits都是0和1同时，它们可以同样地表示同时给定问题的所有可能答案。这被称为量子并行性，它是使量子计算机的属性之一比古典系统更快。

经典计算机与其量子对应物之间的差异可以与其中有一本书的情况进行比较，其中一些页面以蓝色墨水而不是黑色。这两台计算机被赋予确定在每种颜色中打印多少页面的任务。

“古典电脑会经过每一页，”里昂说。每个页面都将标记为一个，只要以黑色或蓝色印刷。“量子计算机，而不是顺序通过页面，它会立即通过它们。”

一旦计算完成，经典计算机会给您一个明确的离散答案。如果这本书有三页以蓝色印刷，那就是你得到的答案。

“但量子计算机本质上是概率，”Kowalkowski说。

这意味着您回来的数据并不明确。在具有100页的书中，量子计算机的数据不仅仅是三个。例如，它还可以给你一个有三个蓝页的1％的机会或50个蓝页的1％的几率。

尝试解释此数据时出现明显的问题。量子计算机可以使用并行Qubits进行令人难以置信的快速计算，但它仅占概率，当然，这不是非常有帮助 - 除非，即正确的答案可以以某种方式获得更高的概率。

干涉

考虑两个彼此接近的水波。当他们遇到时，他们可能会建设性地干扰，产生一个带有更高嵴的波。或者他们可能会破坏性地干扰，互相取消，以便谈论不再有任何浪潮。qubit状态也可以充当波浪，表现出相同的干扰模式，物业研究人员可以利用来确定最可能对所提供问题的答案。

当波相遇时，它们可能会建设性地干扰，产生一个带有更高嵴的波。

“如果你可以在正确的答案和错误答案之间设置干扰，你可以增加正确答案弹出超过错误答案的可能性，”里昂说。“你试图找到一个量子的方法来制造正确的答案，建设性地干扰，错误的答案破坏性地干扰。”

在量子计算机上运行计算时，相同的计算运行多次，并且允许QUBITS彼此干扰。结果是一种分布曲线，其中正确答案是最常见的响应。

波浪可能也可能破坏性地干扰，互相取消，以便不再掌握任何波浪。

在过去的五年中，大学的研究人员，政府设施和大公司已经鼓励发展有用量子计算机的进步。去年，谷歌宣布它在一小部分上拍摄了他们的量子处理器的计算，这是一个众所周知的超级计算机完成相同任务的时间。

然而，我们今天所拥有的量子器件仍然是原型，类似于20世纪40年代的第一个大型真空管计算机。

“我们现在的机器根本没有扩大得多，”里昂说。

在量子计算机变得可行和竞争之前，还有一些障碍研究人员必须克服。最大的一个是寻找一种方法来保持足够长的微妙Qubit状态，以便他们执行计算。

当量子计算机运行时，需要放置在大型冰箱中，如这里所示的大型冰箱，将设备冷却至小于绝对零的程度。这样做是为了将能量从周围环境保持进入机器。

如果一个杂散的光子 - 从系统外部的光粒子与qubit相互作用，它的波将会干扰Qubit的叠加，基本上将计算转化为混乱的混乱 - 一个被称为停用的过程。虽然冰箱在保持不需要的相互作用时进行适度的良好工作，但它们只能为一秒钟的一小部分来这样做。

“Quantum Systems喜欢被隔离，”里昂说，“并且没有简单的方法。”

这是Lyon和Kowalkowski的模拟工作进入的地方。如果Qubits不能保持冷，以保持状态的纠缠叠加，则可以以使它们更易受噪声的方式构建设备。

事实证明，由铌制成的超导腔，通常用于在促进剂中推进粒子梁，可以是溶液。这些腔需要非常精确地构造并在非常低的温度下操作，以有效地传播加速粒子束的无线电波。研究人员通过将量子处理器放置在这些空腔中，QUBITS将能够不受干扰地换每秒，而不是当前的毫秒记录，给出足够的时间来执行复杂的计算。

Qubits有几种不同的品种。可以通过捕获磁场内的离子或使用由晶格形成的碳晶片包围的氮原子来产生它们。Fermilab和Argonne的研究将专注于由光子制成的Qubits。

里昂和他的团队已经采取了模拟云频腔的效果如何进行的工作。通过在Argonne National实验室在argonne国立实验室进行高性能计算机的模拟，他们可以预测光子Qubits可以在这种超声噪声环境中互动，并占任何意外交互。

世界各地的研究人员已经使用了桌面计算机的开源软件来模拟量子力学的不同应用，为如何将结果纳入技术的蓝图提供了开发人员。然而，这些计划的范围受个人计算机上可用的内存量的限制。为了模拟多个Qubits的指数缩放，研究人员必须使用HPC。

“从一个桌面到一个HPC，你可能会更快地速度10,000倍，”阿尔冈国家实验室和项目合作者的合作者。

一旦团队完成了模拟，费尔米尔研究人员将使用结果来帮助改善和测试作为计算设备的腔。

“如果我们设置模拟框架，我们可以以最佳方式向储存量子信息的最佳方式提出非常有针对性的问题，并将梅尔米尔量子技术副负责人埃里克·荷兰说。“我们可以使用它来指导我们为量子技术开发的内容。”

这项工作得到了科学能源办公室的支持。