• 超導量子計算

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    超導量子計算

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    超導量子計算是用超導電子電路實現量子計算。超導量子計算的研究由谷歌、IBM、IMEC、BBNTechnologies、Rigetti和英特爾等公司進行。截至2016年5月,在一維陣列中展示了多達九個完全可控的量子比特,在二維架構中展示了多達十六個。2019年10月,與谷歌合作的Martinis小組發表文章,首次證明了量子的優越性,使用了一個有53個超導量子比特的芯片。超過兩千個超導量子比特在D-Wave系統公司的商業產品中,然而這些量子比特實現了量子退火,而不是量子計算的通用模型。

    超導量子計算的背景

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    經典的計算模型依賴于符合經典力學定律的物理實現。然而,眾所周知,經典描述只對有大量原子的特定系統準確,而對自然界更普遍的描述是由量子力學給出的。量子計算研究的是量子現象的應用,這些現象超出了經典近似的范圍,用于信息處理和通信。存在各種量子計算的模型,然而最流行的模型包含了量子比特和量子門的概念。量子比特是比特的概括--一個有兩種可能狀態的系統,它可以處于兩種狀態的量子疊加中。量子門是邏輯門的概括:它描述了一個或多個量子比特在給定其初始狀態后,在門上所經歷的轉變。量子比特和門的物理實現是困難的,原因與量子現象在日常生活中難以觀察到的原因相同。一種方法是在超導體中實現量子計算機,在超導體中,量子效應變得宏觀,盡管代價是極低的操作溫度。在超導體中,基本的電荷載體是一對電子(稱為庫珀對),而不是普通導體中的單個電子。庫珀對的總自旋是一個整數,因此庫珀對是玻色子(而正常導體中的單個電子是費米子)。與冷卻的費米子相反,冷卻的玻色子被允許占據一個單一的量子能級,這種效應被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體。在經典的解釋中,它相當于多個粒子在空間中占據相同的位置,并具有相等的動量,有效地表現為一個單一的粒子。在超導電子電路(即電元素網絡)的每一點上,描述電荷流的凝結物波函數是由一個特定的復雜概率振幅明確定義的。在正常的導體電路中,對于單個電荷載流子來說,同樣的量子描述是真實的,然而各種波函數在宏觀分析中被平均化了,使得我們無法觀察到量子效應。凝結物波函數允許設計和測量宏觀的量子效應。例如,只有離散數量的磁通量子穿透超導環,類似于玻爾模型中的離散原子能級。

    超導量子計算

    在這兩種情況下,量化都是復數振幅連續性的結果。與用于實現量子計算機的微觀量子系統(如原子或光子)不同,超導電路的參數可以通過設置組成它們的電元素的(經典)值來設計,例如調整電容或電感。為了獲得一個電路的量子力學描述,需要幾個步驟。首先,所有的電元素都用凝結波函數的振幅和相位來描述,而不是用經典電路所使用的密切相關的宏觀電流和電壓描述。例如,空間中某一點的波函數振幅的平方是在那里發現電荷載體的概率,因此,振幅的平方對應于經典電荷分布。其次,廣義基爾霍夫電路定律被應用于電路網絡的每個節點,以獲得運動方程。最后,運動方程被重新表述為拉格朗日力學,并得出量子哈密爾頓。

    超導量子計算的技術

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    器件通常在射頻頻譜中設計,在15mK(毫開)以下的稀釋冰箱中冷卻,用常規電子儀器處理,如頻率合成器和頻譜分析儀。典型的尺寸為微米級,具有亞微米級的分辨率,可以用成熟的集成電路技術方便地設計量子哈密爾頓。量子力學的一個顯著特點是

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    1. 超導量子計算
    2. 超導量子計算的背景
    3. 超導量子計算的技術

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