1. Estado de desarrollo de las computadoras cuánticas superconductoras
En la reunión anual de la American Physical Society el 5 de marzo de 2018, Google hizo una demostración de Bristlecone, un chip cuántico superconductor de 72 qubits que está probando . El físico de Google, Julian Kelly, dijo que el equipo de investigación espera usar chips cuánticos más grandes por primera vez para demostrar supremacía y cálculos completos que las computadoras tradicionales no pueden realizar. El chip se llama Bristlecone porque sus qubits están dispuestos para parecerse a las escamas de un cono de pino.
El 10 de enero de 2019, en la exposición CES, IBM anunció el lanzamiento del primer sistema informático cuántico integrado comercial del mundo: IBM Q System One. La computadora cuántica tiene una potencia de cómputo de 20 qubits . Q System One está envuelto en una caja de vidrio resistente al calor de dos o tres metros de altura, y su parte central está colgada en la parte superior de la caja, como un hermoso candelabro.
El 23 de octubre de 2019, Google completó el desarrollo de Sycamore, una computadora cuántica superconductora de 53 qubits . Google afirma que la velocidad informática de Sycamore es 1,5 billones de veces mayor que la de las computadoras tradicionales. Por ejemplo, para un cálculo extremadamente complejo, las computadoras tradicionales necesitan calcular 10.000 años para obtener el resultado, pero Sycamore solo necesita 200 segundos para completarlo. John Martinis, el físico jefe del equipo de investigación y desarrollo, dijo que la velocidad de Sycamore ha superado con creces la de cualquier supercomputadora tradicional del mundo.
El 24 de marzo de 2020, en la Reunión Anual de APS 2022, el evento de física global, el Laboratorio Cuántico del Instituto Dharma de Alibaba anunció una serie de desarrollos más recientes. Al alcanzar el 99,72 %, el laboratorio cuántico de la Academia Bodhidharma diseñó y fabricó con éxito un dos bits chip cuántico , logrando una precisión de control de un solo bit del 99,97 % y una precisión de control de puerta iSWAP de dos bits de hasta el 99,72 %.
El 12 de septiembre de 2020, Origin Quantum lanzó elEl origen del procesador cuántico superconductor de 6 bits Kuafu KF C6-130 , que es la primera computadora cuántica superconductora de ingeniería nacional de China . Como una computadora cuántica superconductora que puede operar de manera estable fuera del entorno del laboratorio, puede desempeñar un papel en la biomedicina, la industria química, los grandes datos, la industria aeroespacial, el descifrado de códigos y otros campos.
El 7 de mayo de 2021, un equipo de investigación compuesto por Pan Jianwei, Zhu Xiaobo y Peng Chengzhi del Instituto de Información Cuántica e Innovación en Ciencia y Tecnología Cuántica de la Academia de Ciencias de China desarrolló de forma independiente un chip qubit superconductor de 62 bits Zuchongzhi (Zu Chongzhi), y completó el chip qubit superconductor sobre esta base. Prototipo de computación cuántica "Zuchongzhi".
2. Clasificación de la tecnología informática cuántica
Las principales rutas actuales de la tecnología informática cuántica incluyen: circuitos superconductores, trampas de iones, puntos cuánticos semiconductores, fotones, etc. Cada ruta tecnológica tiene sus propias ventajas y desventajas. ¡Estas rutas aún se encuentran en la etapa de investigación teórica básica y desarrollo y verificación de productos prototipo, y muchas tecnologías clave aún no se han superado, lo que aún requiere los esfuerzos conjuntos de científicos de todo el mundo!
La tecnología cuántica superconductora utiliza un refrigerador para enfriar un circuito usando un elemento Josephson a una temperatura extremadamente baja para que entre en un estado superconductor, realizando así un qubit y realizando operaciones de puerta cuántica por medio de pulsos de microondas, realizando así un qubit. La tecnología cuántica superconductora se considera una de las soluciones más probables para realizar primero la computación cuántica práctica . Google, IBM, Intel, Original Quantum (China), Beijing Quantum Institute (China), etc., han establecido rutas de tecnología cuántica superconductora.
La tecnología de trampa de iones utiliza la fuerza de interacción entre la carga y el campo electromagnético para restringir el movimiento del cuerpo de la partícula cargada, y utiliza los dos niveles de energía compuestos por el estado fundamental y el estado excitado del ion confinado como un equipo de qubit dentro. .
La tecnología de puntos cuánticos de semiconductores es un mecanismo que elimina la influencia de otros electrones en un electrón aislándolo del exterior en un espacio tridimensional. Es un importante material semiconductor de baja dimensión, y su tamaño en tres dimensiones no es mayor que el doble del radio de Bohr del excitón de su material semiconductor correspondiente. Al igual que los circuitos superconductores que requieren temperaturas extremadamente bajas para funcionar, los electrones aislados deben enfriarse a temperaturas extremadamente bajas para lograr qubits estables.
La tecnología cuántica óptica es un método para usar fotones como qubits, emitir un solo fotón a través de una sola fuente de fotones, usar la dirección de vibración (polarización) de la luz como un qubit y realizar operaciones cuánticas introduciéndolas en un circuito cuántico óptico para lograr calcular.
3. Composición de la computadora cuántica superconductora
Una computadora cuántica superconductora generalmente consta de cuatro partes: un sistema de chip cuántico, un sistema de medición y control de computadora cuántica, un sistema de soporte del entorno de computación cuántica y un sistema operativo de computadora cuántica . El diagrama esquemático de una computadora cuántica superconductora es el siguiente:
El sistema de chip cuántico es un sistema basado en un chip cuántico superconductor , que es el núcleo informático de una computadora cuántica y realiza cálculos cuánticos.
El sistema de medición y control de computación cuántica es el sistema de control de la computadora cuántica, que se utiliza para controlar el funcionamiento del chip cuántico.
El sistema de soporte del entorno de computación cuántica incluye un sistema de refrigeración de temperatura ultrabaja y un sistema activo de reducción de vibraciones para el host de la computadora cuántica, lo que proporciona una garantía de entorno de trabajo para el funcionamiento estable de la computadora cuántica.
El sistema operativo es el marco fundamental para que las computadoras cuánticas proporcionen sistemas de software de computación cuántica. Tiene funciones como la computación multicuántica, la calibración automática de chips cuánticos y la gestión eficiente de los recursos cuánticos.
El diagrama de bloques del sistema de control de la computadora cuántica superconductora es el siguiente:
4. Chips cuánticos superconductores
Un chip cuántico superconductor es el núcleo de una computadora cuántica superconductora El chip integrará múltiples qubits superconductores, codificará información cuántica en los qubits y realizará operaciones de puerta lógica cuántica a través del control de microondas, realizando así la computación cuántica.
Los componentes clave del circuito de un chip cuántico superconductor incluyen: cúbits, cámaras de lectura, líneas de control y líneas de lectura . La siguiente figura es un diagrama del circuito interno de un chip cuántico superconductor con 5 qubits .
1. Los cinco dispositivos en forma de cruz marcados como Q0−Q4 en la figura son qubits transmon
2. El dispositivo curvo marcado como resonador en la figura es la cavidad de lectura, que se utiliza para leer el estado de un solo qubit.
3. Los dispositivos marcados XY y Z en la figura son líneas de control. La línea de control xy transmite señales de microondas para lograr la inversión del nivel de energía y otras operaciones. La línea de control z y el cambio de corriente de la línea de control Z cambiarán el campo magnético aplicado
. Al mismo tiempo también cambia el flujo magnético del SQUID.
4. readout es una línea de lectura para leer qubits.
El diagrama esquemático del chip cuántico superconductor con 5 qubits en la imagen de arriba es el siguiente:
4.1 Qubits
El qubit del chip cuántico superconductor de unión Josephson se realiza a través del circuito de unión Josephson. La unión Josephson es una estructura (SC2) compuesta por un superconductor (SC1)-aislante (aislante)-superconductor. El grosor de la capa aislante suele ser de nanoescala No se generará corriente después de que se aplique un voltaje a través de la unión de Josephson, porque esta estructura es un circuito abierto. Cuando la capa delgada dieléctrica aislante (aislante) es lo suficientemente delgada, los electrones pueden hacer un túnel entre SC1 y SC2, fluyendo de un extremo al otro para generar corriente. El nudo de Josephson se muestra a continuación.
a es el cruce superconductor de Josephson, b es el símbolo del cruce de Josephson en el circuito y c es el modelo de circuito del cruce de Josephson
Una técnica ampliamente utilizada es reemplazar una sola unión Josephson con un bucle interrumpido por dos "uniones" idénticas, formando un dispositivo de interferencia cuántica superconductora de corriente continua (DC-SQUID). Debido a la interferencia entre los dos extremos del SQUID, la corriente crítica efectiva de las dos uniones se puede reducir aplicando un flujo magnético que penetre en el bucle, y este efecto se puede usar para ajustar la energía de la unión Severson cambiando la corriente externa. flujo magnético.
qubit superconductor
Los qubits superconductores se dividen principalmente en tres categorías según los diferentes grados de libertad: qubits de carga, qubits de flujo y qubits de fase . Estos tres tipos de qubits superconductores están plagados de diferentes ruidos, lo que resulta en tiempos de decoherencia muy cortos.Las fuentes de ruido incluyen principalmente fluctuaciones de carga, fluctuaciones de flujo magnético y ruido de cuasipartículas. Los diagramas de circuito de los tres qubits superconductores son los siguientes.
a es el qubit de carga, b es el qubit de flujo y c es el qubit de fase
Sobre la base de los tres tipos anteriores de qubits superconductores, se derivan muchos qubits superconductores nuevos: como qubits transmon, qubits de flujo de derivación C, qubits de fluxonio, etc. El nuevo circuito de qubits superconductores se muestra en la siguiente figura.
1 es un qubit transmon simétrico, 2 es un qubit transmon asimétrico, 3 es un qubit de flujo C-shunt y 4 es un qubit C-shunt Fluxonium
El transmon simétrico y el transmon asimétrico no cambiarán la topología del circuito en ingeniería. En todo el rango de frecuencia sintonizable, se suprime la sensibilidad de flujo y se mantiene una alta coherencia. En la actualidad, casi todas las computadoras cuánticas superconductoras usan tecnología Transmon .
qubit transmon
El nombre completo del qubit Tansmon es "qubit de oscilación de plasma con derivación de línea de transmisión", que esencialmente agrega una gran capacitancia de derivación al qubit de carga . Este condensador suaviza en gran medida la relación de dispersión de la carga, lo que hace que la energía del sistema del circuito sea muy insensible a la fluctuación de la carga y, naturalmente, suprime el ruido de la carga. Los qubits de Tansmon incluyen Transmon, Xmon, Gmon, 3D Transmon, etc.
Otra innovación importante de Transmon es reemplazar la capacitancia de puerta utilizada originalmente para controlar el qubit con un acoplamiento de dispersión con una cavidad resonante de línea de transmisión. Este diseño proporciona un método de medición muy útil para qubits: "medición cuántica no destructiva". El diagrama esquemático de Transmon qubit y su circuito es el siguiente.
a es el modelo de circuito efectivo del qubit Transmon. CB es un condensador grande conectado en paralelo con el dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID), Lr y Cr están conectados en paralelo para formar el circuito equivalente del resonador de lectura, y el circuito más a la derecha es el SQUID polarizado por el flujo magnético del SQUID .
b es un diagrama esquemático de la estructura bidimensional del qubit Transmon
4.2 Cavidad de lectura
La cavidad de lectura es uno de los componentes clave del circuito del chip cuántico superconductor, y la cavidad de lectura se usa para medir el estado del qubit (0 o 1). La cavidad de lectura está acoplada con el qubit, y habrá diferentes resultados en diferentes estados del qubit. Por ejemplo, después de conectar el qubit, la línea espectral sufrirá un cambio de frecuencia de dispersión, que puede usarse para distinguir el estado de el qubit. En el proceso de computación cuántica superconductora , la lectura del estado del qubit es indirecta y el qubit se acoplará a la cavidad de lectura para evitar destruir el estado del qubit durante la medición .
La cámara de lectura puede entenderse como un circuito oscilador LC En el diseño del chip, la cámara de lectura tiene una estructura en forma de serpiente, que en realidad es una guía de onda coplanar con una frecuencia de resonancia específica.
4.3 Línea de control
En el chip de computación cuántica superconductora , el estado del qubit se cambia a través de la línea de control . Cada qubit realiza el control del qubit a través de dos líneas de control . La línea de control se divide en una línea de control XY y una línea de control Z. La línea de control XY es para controlar el estado del bit ingresando señales de microondas, y la línea de control Z es para cambiar la frecuencia del qubit generando flujo magnético a través de la corriente de entrada.
4.4 Líneas de lectura
La función de la línea de lectura es generar la información de estado del qubit , y la línea de lectura se acopla con la cavidad de lectura y luego se conecta al pin del chip.
5. Estado actual de las computadoras cuánticas superconductoras en China
El 9 de noviembre de 2022, IBM lanzó el chip "Osprey" (Osprey)."Osprey" es un chip cuántico superconductor con la mayor cantidad de qubits en el mundo hasta el momento, ¡con 433 qubits integrados en su interior!
Los chips cuánticos superconductores representativos desarrollados en China incluyen: el chip qubit superconductor de 24 bits Hefei Yuanquan KF-C24-100, la Universidad de Zhejiang desarrolló de forma independiente un chip cuántico superconductor "Tianmu No. 1" de 26 bits , el chip qubit superconductor de 62 bits desarrollado de forma independiente Zuchongzhi (Zu Chongzhi) con el equipo de Pan Jianwei.
En términos de tecnología de chips cuánticos superconductores, Estados Unidos es la tecnología líder en el mundo. Todavía existe una cierta brecha entre el chip cuántico superconductor de China y los Estados Unidos en la cantidad de qubits y tecnologías relacionadas con la programabilidad cuántica. Debido al inicio tardío de la computadora y tecnología de semiconductores en China, la base general no es tan sólida como la de los EE. UU. Los chinos deben dedicar tiempo y paciencia al personal de I + D de tecnología relevante, y los científicos y el personal de I + D relevantes deben seguir adelante para ganar la gloria para el país. !
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