違反法律：科學(xué)家希望通過(guò)量子計(jì)算破壞摩爾定律

量子物理定律影響日常生活中的波動(dòng)，很少有人知道，從智能手機(jī)的電池到太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的能量。隨著能源部(DOE (link is external))及其實(shí)驗(yàn)室探索量子科學(xué)的前沿，例如計(jì)算單個(gè)原子的能級(jí)或分子如何組合在一起，更強(qiáng)大的工具是必需的。

“物理系統(tǒng)越大，問(wèn)題就越嚴(yán)重 - 如果你超越了一個(gè)簡(jiǎn)單的分子，我們無(wú)法解決這些能量差異，”勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)物理學(xué)家Jonathan DuBois說(shuō)，他負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室的量子相干設(shè)備物理(QCDP)組。“從物理學(xué)的角度來(lái)看，我們正在進(jìn)行越來(lái)越多令人驚嘆的高度控制的物理實(shí)驗(yàn)，如果你試圖模擬他們?cè)诮?jīng)典計(jì)算機(jī)上所做的事情，那么它幾乎就處于不可能的地步。”

在經(jīng)典計(jì)算中，摩爾定律假設(shè)集成電路中的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴环Ｈ欢?，有跡象表明，摩爾定律正在放緩，最終會(huì)陷入困境。這就是量子計(jì)算的用武之地。除了突破摩爾定律的障礙外，還有一些人將量子計(jì)算作為計(jì)算機(jī)的下一個(gè)發(fā)展步驟。它位于核安全管理局(核安全局)的優(yōu)先清單上(鏈接是外部的))的高級(jí)模擬和計(jì)算(ASC)計(jì)劃，正在通過(guò)其“超越摩爾定律”項(xiàng)目研究量子計(jì)算等新興技術(shù)。在LLNL，工作人員科學(xué)家DuBois和Eric Holland正在努力制定一項(xiàng)全面的共同設(shè)計(jì)戰(zhàn)略，以便將量子計(jì)算技術(shù)近期應(yīng)用于核安全局任務(wù)領(lǐng)域的突出重大挑戰(zhàn)問(wèn)題。

桌面計(jì)算機(jī)我們都熟悉二進(jìn)制形式的存儲(chǔ)信息，無(wú)論是1還是零(開(kāi)或關(guān))，在量子系統(tǒng)中，信息可以存儲(chǔ)在疊加中，這意味著短暫的時(shí)間只需幾納秒，在投射到經(jīng)典二進(jìn)制狀態(tài)之前，量子比特中的數(shù)據(jù)可以作為一個(gè)或零存在。從理論上講，這些機(jī)器可以比以前創(chuàng)建的任何計(jì)算機(jī)更快地解決某些復(fù)雜問(wèn)題。雖然經(jīng)典計(jì)算機(jī)串行執(zhí)行功能(一次生成一個(gè)答案)，但量子計(jì)算機(jī)可能以高度并行的方式執(zhí)行功能和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以指數(shù)方式提高速度，性能和存儲(chǔ)容量。

LLNL最近在量子相干設(shè)備組成員Eric Holland的領(lǐng)導(dǎo)下，推出了全功能量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)室和測(cè)試平臺(tái)設(shè)施。研究人員正在對(duì)實(shí)驗(yàn)室的量子計(jì)算戰(zhàn)略計(jì)劃下的原型量子器件進(jìn)行測(cè)試。該計(jì)劃現(xiàn)已進(jìn)入第三年，由實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)研究與開(kāi)發(fā)(LDRD)資助，旨在設(shè)計(jì)，制造，表征和構(gòu)建量子相干設(shè)備。DOE的高級(jí)科學(xué)計(jì)算研究(ASCR)使該建筑和示范項(xiàng)目成為可能，該項(xiàng)目由能源部科學(xué)辦公室管理，該項(xiàng)目積極探索量子計(jì)算是否以及如何對(duì)DOE應(yīng)用有用。

LLNL的研究人員正在開(kāi)發(fā)用于解決原型設(shè)備上的量子模擬問(wèn)題的算法，這看起來(lái)很簡(jiǎn)單且非常奇怪。它是一個(gè)圓柱形金屬盒，里面懸掛著藍(lán)寶石芯片。盒子保存在冷藏真空管(鍍金以提供固體熱匹配)內(nèi)，溫度低于外層空間 - 負(fù)460華氏度。它具有高超導(dǎo)性，在真空中面臨零電阻，從而延長(zhǎng)了疊加狀態(tài)的壽命。

“這是一個(gè)完美的電導(dǎo)體，所以如果你可以在這里發(fā)送激勵(lì)，你將在盒子內(nèi)部獲得電磁(EM)模式，”DuBois解釋道。“我們正在使用盒子內(nèi)部的空間，量子化的EM場(chǎng)來(lái)存儲(chǔ)和操縱量子信息，小芯片耦合到場(chǎng)并操縱它們，確定不同量子態(tài)之間能量的精細(xì)分裂。這些能量差異是你用來(lái)改變量子空間的東西。“

為了“對(duì)話”，研究人員正在使用任意波形發(fā)生器，它產(chǎn)生一個(gè)振蕩信號(hào) - 信號(hào)的時(shí)間決定了系統(tǒng)中正在進(jìn)行的計(jì)算。DuBois說(shuō)，物理學(xué)家基本上是為薛定諤方程建立量子求解器，幾乎所有物理學(xué)的基礎(chǔ)和量子計(jì)算系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的決定因素。

“事實(shí)證明，實(shí)際上很難解決這個(gè)問(wèn)題，而且系統(tǒng)越大，你需要跟蹤的數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，”DuBois說(shuō)。“這里的論點(diǎn)是我們可以建立一個(gè)自然地做到這一點(diǎn)的系統(tǒng) - 自然界基本上跟蹤了我們所有這些自由度，所以如果我們能夠仔細(xì)控制它，我們就可以基本上模擬一些問(wèn)題的量子動(dòng)力學(xué)我們感興趣的是，量子化學(xué)中的電荷轉(zhuǎn)移或生物學(xué)問(wèn)題或核物理中的散射問(wèn)題。“

了解該設(shè)備如何工作是DOE先進(jìn)的量子模擬測(cè)試(AQuES)測(cè)試探路者計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃正在分析幾種不同的方法，以創(chuàng)建一個(gè)功能齊全，有用的量子計(jì)算機(jī)，用于基礎(chǔ)科學(xué)和確定等領(lǐng)域。核散射率，分子中的電子結(jié)構(gòu)或凝聚態(tài)物質(zhì)或了解太陽(yáng)能電池板中的能量水平。2017年，DOE在三年內(nèi)向包括DuBois和Lawrence Berkeley實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家Irfan Siddiqi和Jonathan Carter在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)頒發(fā)了150萬(wàn)美元。該團(tuán)隊(duì)希望確定量子系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)，開(kāi)發(fā)實(shí)用的，可用的量子計(jì)算機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)室建立量子能力以解決實(shí)際問(wèn)題。

根據(jù)DuBois的說(shuō)法，量子計(jì)算科學(xué)“處于轉(zhuǎn)折點(diǎn)。”他表示，在三年時(shí)間內(nèi)，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該能夠評(píng)估哪種類型的量子系統(tǒng)值得作為測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。研究人員首先想要展示對(duì)量子計(jì)算機(jī)的控制并解決特定的量子動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。然后，他們想要建立一個(gè)用戶設(shè)施或基于云的系統(tǒng)，任何用戶都可以登錄并解決復(fù)雜的量子物理問(wèn)題。

“量子計(jì)算有多種競(jìng)爭(zhēng)方法; 捕獲離子，半導(dǎo)體系統(tǒng)等，都有它們的怪癖 - 它們實(shí)際上都不是真正的量子計(jì)算機(jī)，“DuBois說(shuō)。“硬件方面，這就是問(wèn)題所在，'我們可以部署的第一批技術(shù)是什么，有助于彌合實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際存在的內(nèi)容與人們?nèi)绾螌⑦@些系統(tǒng)視為理論對(duì)象之間的差距? “”

自從1999年創(chuàng)建第一個(gè)超導(dǎo)量子比特或“量子比特”以來(lái)，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)走過(guò)了漫長(zhǎng)的道路。在過(guò)去近20年中，量子系統(tǒng)已經(jīng)成倍增長(zhǎng)，這可以通過(guò)量子比特疊加的壽命或者它的多長(zhǎng)時(shí)間來(lái)證明將量子比特衰減為0或1. 1999年這個(gè)數(shù)字是納秒。目前，系統(tǒng)可達(dá)數(shù)十至數(shù)百毫秒，這聽(tīng)起來(lái)可能不多，但每年，量子比特的壽命都翻了一番。

對(duì)于Testbed項(xiàng)目，LLNL的第一代量子器件將大約20個(gè)量子比特，DuBois說(shuō)，足夠大到有趣，但小到足以使用。DuBois說(shuō)，這種尺寸的系統(tǒng)可能會(huì)減少大多數(shù)現(xiàn)有超級(jí)計(jì)算系統(tǒng)從大約一天到幾微秒執(zhí)行量子動(dòng)力學(xué)計(jì)算所需的時(shí)間。為了達(dá)到這一點(diǎn)，LLNL和LBNL物理學(xué)家將需要了解如何設(shè)計(jì)可以擴(kuò)展量子態(tài)的系統(tǒng)。

“它需要持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間才能成為量子，它需要可控，”杜波依斯說(shuō)。“那里有一個(gè)頻譜; 空間越大，它就越強(qiáng)大。那就是它的可控性。最好的控制水平是將值更改為我想要的任何值。這就是我們的目標(biāo)，但涉及到競(jìng)爭(zhēng)。我們希望打到那個(gè)甜蜜點(diǎn)。“