量子力学，亚原子粒子与计算

正是在瑞士EPFL攻读硕士学位期间，我第一次能够完全欣赏亚原子粒子这个令人难以置信的世界。在这里，由牛顿提出的经典定律失败了，需要一个完全不同的物理框架——量子力学来理解这个迷人世界的运作。这个世界充满了怪异的效果，如粒子同时存在于多种状态，穿越墙壁的能力等。正如在20世纪20年代奠定了量子力学基础的伟大的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔所言:

“凡是对量子理论不感到震惊的人都没有理解它!”

快进到今天，科学家们不仅对量子世界有了很大的了解(注:我没有说完全)，而且对被认为是人类创造力和进取心最伟大的例子之一的量子世界有了很大的了解，而且开始在复杂计算中利用这种量子“怪异”。

什么是量子门和量子比特?

让我们退一步来欣赏它的影响。现代计算(是的，我指的是你身边的每一个设备)使用的是经典位，它的值为0或1。使用大量的比特和一种控制它们的方法(逻辑门)可以实现所有经典的计算。一个量子比特或一个量子位允许它的状态存在于0,1和有状态0和1阴影的状态，这些状态在技术上称为叠加态。使用由量子位组成的量子门，人们可以创造叠加态，并在这些态中并行编码信息。为了理解这种信息并行编码能力的深刻含义和绝对力量，让我们考虑一个例子问题。桌上有四张牌。其中三个是一样的，红心k，一个是q。现在牌被洗牌，脸朝下放在桌子上，目标是找到q。你(顺便提一句，还有一台经典的计算机)会怎么做呢? It would have to be something like: open card one, then the other etc. Considering the queen can either be found on the first or the fourth attempt, with some simple math you can deduce that it would take around 2.5 attempts on average to do find the queen over many attempts to find it. In contrast using a 2 qubit system this can be done in a single attempt! While this experiment might not sound ground breaking let’s look at a more complex problem, say factoring a large prime number 129 digits long, this happens to form the back bone of today’s online encryption protocols. A classical computer would take an extremely long time to factor such numbers into its prime components (keys) which is why it is considered secure. In fact it took 8 months and 1,600 internet users to crack RSA129, a quantum computer can do this in seconds!

虽然网络安全很有趣，但科学家们已经在研究如何解决这个问题量子密钥分配(QKD)如果你想知道更多)，它的影响将主要体现在药物发现、金融风险管理、人工智能，以及最重要的是理解量子科学本身!正如理查德·费曼(Richard Feynman)在他著名的加州理工学院讲座中指出的那样，我们需要量子物体来模拟量子物理学。

我们如何制造量子比特?

这就是挑战所在。量子系统本质上是变化无常的，即使受到很小的扰动也会改变它的状态。隔离和控制量子比特中的量子态，并在其坍缩成经典态之前最大化其存在的持续时间，是量子计算研究和技术发展的核心。如今有几种不同的技术在发挥作用:

网络研讨会:高质量量子器件的制造过程

1.离子陷阱:被电场或激光束定位的离子或原子。这种方法适用于少量量子位，但难以扩展，挑战在于初始化、控制和测量大量捕获离子阵列。
2.核自旋量子位:这里的信息编码到核自旋态。这可以通过在原子中植入掺杂剂来实现。由于需要耦合自旋的确定性制造，因此很难扩大规模，但这一方向正在取得进展。
3.光子量子比特:利用光子中的光偏振来进行计算。传统上，这需要在受控环境中使用复杂的仪器，但基于硅光子学的方法的进展有很大的扩大潜力。该技术的主要优点是与基于凝聚体的量子位相比，具有较低的随机噪声水平
4.超导量子位:利用超导材料中的约瑟夫森结来创建相位、电荷或通量量子位(今天也存在其他类型的量子位)，这是目前量子计算研究中使用最多的量子位形式。
5.拓扑保护量子比特:这些是量子比特的凝聚态版本，目前处于早期研究阶段，利用材料的某些特性来保护亚原子粒子中的量子态。一些流行的方法涉及半导体-超导体连接和拓扑绝缘体，以创造和作用于被称为马约拉纳费米子的奇怪而迷人的粒子。

量子技术的未来

很明显，量子计算技术已经到来，但仍处于其发展的早期阶段。在牛津狗万正网地址仪器公司，我们正在研究一些技术，这些技术有助于这种令人难以置信的强大技术的进步。在等离子技术，我们使超导氮化铌等材料的制造用于制造通量量子位以及单光子探测器。我们还在芯片光子学、固态激光器和用于量子比特制造的低介电介质沉积的器件制造工艺方面拥有大量的专业知识。狗万正网地址牛津仪器还通过提供必要的低温环境和测量技术，以及非常高效的单光子探测器，实现了量子计算的光子路径。我们将很高兴帮助你与你的量子计算挑战，所以请与我们联系在plasma-experts@oxinst.com或访问plasma.oxinst.com

作者:Ravi Sundaram博士