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研究人员支持可编程量子计算机的发展

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芝加哥大学的研究人员和他们在伦敦大学学院的同事进行了概念验证实验,将有助于可编程量子计算机的未来发展。

使用传统计算机解决许多复杂的问题是困难和缓慢的,在过去几年中,研究已经稳步发展到量子计算。尤其是,像旅行商问题这样的优化问题,随着城镇数量的增长,这个问题会计算出访问一组城镇所需的最短路线。

量子计算机将利用对原子和分子尺度的影响,比传统计算机更快地解决这些问题。最近,第一代专用计算机已经上市 - 采用了一种新的架构,利用量子力学来帮助解决与旅行商问题类似的问题,最多可容纳几百个城镇。

在美国国家科学院院刊发表在的一项研究中,来自芝加哥大学詹姆斯·弗兰克研究所和伦敦大学学院伦敦中心的研究小组描述了一个在含有数万亿的晶体上进行的实验,量子力学自旋的数百个,它复制了目前这一代小得多的专用计算机的一些特征。主要作者是迈克尔·施密特(Michael Schmidt),博士12,现在是波特兰的英特尔研究科学家。他的合着者是詹姆斯·弗兰克研究所的研究科学家丹尼尔·西勒维奇(Daniel Silevitch)托马斯•罗森鲍姆(Thomas Rosenbaum),约翰•威尔逊杰出物理学教授;伦敦大学学院的Gabriel Aeppli教授。

用于执行此实验的晶体量子磁体包含自旋(磁定向)振荡的原子。热退火和量子退火是研究人员操作这个实验磁性晶体中的磁自旋的过程。许多类型的磁性材料都可以在任何方向上定向自旋,但是这种特殊的晶体限制了向上或向下的定向。

量子退火与量子隧道效应有关,这种现象使得粒子通过牛顿物理学无法预测的相互作用通过势垒。 Silevitch说:“如果你在完全关闭量子隧道的情况下运行这个系统,那么你最终将得到一个解决问题的办法,而在量子隧穿开启的时候,这将是一个不同的解决方案。

在温度接近绝对零度(零下459.67华氏度)的这种磁性晶体中,热退火的速度和强度可以通过或多或少地接触晶体而由连接到冰箱的蓝宝石棒控制。同时,量子退火的速率可以通过设置磁性样品中量子隧道效应的磁场来控制。

热退火只能通过冷却系统来关闭,但不能关闭。但是,如果系统运行在热退火下降和量子退火的模式下,结果是磁性自旋的不同状态,这是计算问题的不同解决方案。

专用计算机解决了旅行商问题,在特征高度和深度代表旅行总距离的半抽象景观中的问题。最好的解决方案对应最深的山谷。

热量和量子退火

找到最深的山谷可以看作是在山谷之间移动的水池,可以通过在中间鞍点上飞溅的波浪,然后下降,或通过山谷之间的量子隧道。

第一种方法表示热退火,这与传统的计算方法相当。第二个对应于量子退火,这是潜在更有效的量子计算的一个特征。

通过跳过能垒,热退火达到最终状态或问题解决方案,然后通过降低温度逐渐限制其可以克服的阻挡层的尺寸。相反,量子退火通过量子隧穿达到最终状态 通过障碍,然后逐渐缩小(并最终关闭)隧道率。

在热退火中,“波浪”来回晃动,如果达到足够的高度,它们将飞溅在山上,然后流入相邻的山谷。

高温热退火对应于剧烈晃动的水,这意味着它可以克服高的障碍。随着研究人员慢慢放下海浪的力量,水面只能顶在中等大小的山丘上。随着系统的进一步冷却,波浪只能在鼹鼠上冲洗。

但是,当碗状谷位于更深,更窄的井旁时,热退火会出现问题。在这种情况下,大部分晃动的水将在山谷底部结束。水自然而然地寻求最低的水平,但随着温度的下降和波高的降低,井的入口变得难以接近。

量子退火允许水通过量子隧穿过程穿过山丘。

Silevitch解释说:“如果你有这个碗,然后在它旁边有一个非常深的井,那么通过热退火从碗里进入井中的几率是非常非常低的。 “你必须等待一个随机的大波浪来晃荡。但是通过量子退火,您可以直接穿过山丘,您可以找到深井,这是您喜欢的地方。“

实验发现,当系统通过单独的热退火达到最终谷时,与热退火减弱并开启量子退火时达到的状态不同。

应用量子退火后,晶体的某些区域处于“量子叠加态”,根据量子物理学中的反直觉规则,它们可以同时存在于两种不同的态。其他地区具有典型的宏观物理学特征。在这些实验中的热退火只留下后一种品种的区域。

应用于实际和可编程的量子优化计算机,结果意味着量子优化器可以获得不同的解决方案,例如旅行商问题,与传统技术相比。研究小组认为,这些发现将影响量子优化系统的设计和使用。



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