跳到主要内容

话题

超导

超导

在量子设备上重新创建的计算机体系结构

量子 冯·诺依曼 architecture in superconducting circuits

加利福尼亚的物理学家声称是第一个实现量子形式的“Von Neumann” architecture found in personal computers. Based on superconducting circuits and integrated on a single chip, the new device has been used to perform two important quantum-computing algorithms. Conventional 冯·诺依曼 architecture includes a central processing unit (CPU) linked to a memory that holds both data and instructions.

利用纯粹的量子现象(例如叠加和纠缠)的量子计算机在原理上应该能够在某些任务上胜过传统计算机。但是,建立实用的量子计算机仍然是一个挑战,因为此类系统采用的量子状态难以控制且容易破坏。

In implementing the 冯·诺依曼 architecture using superconducting quantum circuits, Matteo Mariantoni and colleagues at the University of California, Santa Barbara have taken an important step towards a working computer. Mariantoni told physicsworld.com 据他所知,他和他的同事是第一个创建这种体系结构的量子版本的人。

结合CPU和内存

研究团队’s quantum CPU, or “quCPU”,包括两个超导“phase quantum bits”(量子位)通过超导微波谐振器数据总线连接。相位量子位是单个约瑟夫森结,它由两片超导材料组成,这些材料由非常薄的绝缘势垒隔开。逻辑层次–例如0和1–由结的电极之间的相位差定义。

每个量子位都连接到其自己的量子随机存取存储器(quRAM)元件,该元件由超导谐振器组成,该超导谐振器以被捕获的微波的形式存储量子信息,并且“zeroing register” –清除信息量子位的两级系统。 quRAM的行为类似于保留了量子性质的普通RAM–如纠缠–存储的信息。

总线和quRAM以固定频率运行,而在特殊情况下qubit的工作频率会改变“z-pulses”被应用。当量子位的频率与quRAM或总线的频率匹配时,可以在两者之间交换量子信息。

量子运算

要执行手术,玛丽安托尼’团队始于量子位“detuned”从其他组件。然后,在施加z脉冲交换信息之前,先施加微波脉冲,从而向系统加载量子信息。通过仔细施加特定的脉冲序列来执行量子操作。

在一项实验中,研究小组执行了“量子傅立叶变换”操作保真度为66%。在另一个实验中,Mariantoni及其同事使用该系统实现了具有98%相位保真度的三比特Toffoli OR相门。这些操作对于实用的量子计算机来说都是必不可少的。

“这些优异的成绩令人鼓舞,” says Mariantoni. “但是,要使实用的量子计算机正常工作,就需要高于98%甚至更高的数字。”

Long 相干时间

该系统的另一个重要特征是量子存储器可以将量子信息保留的时间比量子位更长。这么长“coherence times”是量子计算机的另一个实际要求。大约400年后,量子位态的保真度降至20%以下 ns,存储器的保真度至少保持在40%以上1.5 µs.

该团队现在正在致力于增加集成在单个芯片上的量子设备的数量。根据Mariantoni的说法,虽然增强集成相当容易,但操作此类芯片涉及更多的量子操作。这意味着必须提高各个组件的相干时间–更具挑战性的东西。该团队正在通过寻找改善制造设备的介电和金属材料质量的方法来解决这一问题。

该作品发表在 科学.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者