Only Perception: 科學家首次以超導匯流排連接量子晶片

2007-09-28

科學家首次以超導匯流排連接量子晶片

Quantum chip rides on superconducting bus
http://technology.newscientist.com/article/dn12696

NewScientist.com news service
Saswato Das / 26 September 2007

這是頭一遭，以量子運算之龐大潛力 -- qubits（量子位元）-- 為基礎的元件，被連到那些如同傳統電腦中的晶片上。二個美國研究團隊利用超導電路，以一條量子資訊纜線（匯流排）連接二個量子元件。

在一般電腦計算中，同時運作的位元能以二種狀態存在 -- 不是 0 就是 1。不過 qubits 同時能處於兩種狀態下，當它們在一起時，能使它們同時處理許多計算。

Qubits 能以不同方法製造，不過到目前為止，大部分的方案都無益於大量製造。若能將它們置於如同傳統電腦的晶片上，就可能開啟驅使電子運算興起的那種經濟規模。

在本週 Nature 期刊中，由二個團體所分別報告的兩項研究暗示有這種可能存在。其中一個是位於美國科羅拉多州 Boulder 的 NIST，另一個是康乃迪克州 New Haven 的耶魯大學。這兩個團隊表示，他們首次將 qubits 連接到晶片上。

量子匯流排

每個小組都以「人造原子」-- 一「小」堆的鋁原子，大約 10 億個，具有離散的電能水平（levels），就好像單一原子一樣 -- 來製造 qubits。他們以一種「空腔（cavity）」來連接它們，資訊可在其間穿梭。整套設備都降溫至離絕對零度只有幾千分之一度，讓電路呈現超導態。

空腔與一個電絕緣體相連，那囿住單一一個微波光子，光子則在一個固定波長內到處彈跳。利用微波脈衝，資訊能被編碼成人造原子當中的電磁能，然後在空間來回傳送。

事實上，Johannes Majer 說，耶魯團隊的成員之一，研究者創造出一個「量子匯流排」。用於傳統電腦中的匯流排，相當於各種元件間的資訊導管 -- 不過量子晶片等價物則從未被製造出來過。

NIST 小組更進一步證明，空腔不只是能成為一種匯流排而已 -- 他們把它當成短期記憶。將資訊編碼成一個 qubit 後，他們將它傳送到空腔中，在將它傳送到另一個 qubit 之前，（停留）時間可達 10 奈秒。

耶魯晶片所用的 qubits 建立在矽上，大約 1 微米見方，而 NIST 則在藍寶石（sapphire）上使用大於 10 平方微米的 qubits。在兩套原型中， qubits 之間的匯流排介於 5 到 7 mm 長之間。

關鍵要素

總的來說，這兩個團體已經證明需要進行基本邏輯運作的關鍵要素，這些運作是所有運算的基礎。領導 NIST 團隊的 Raymond Simmonds 表示，未來的量子晶片或許會使用它的某種版本。他稱它為量子晶片的「神經中樞」。二個團體為來的研究都將聚焦在，以 on-chip cavities 連接更多 qubits。因為 qubits 當中資訊穩定性的問題，在目前要添加更多是有困難的。"我們正準備有 6 個 qubits 的實驗，不過這裡（晶片上）還有更多空間，" Majer 說。

量子運算專家，芬蘭 VTT Technical Research Center 的 Antti Niskanen，與日本 NEC Nano Electronic Laboratories 的 Yasunobu Nakamura 則表同意。"原則上，在相同的晶片上有空間放幾百個 qubits，" 他們在伴隨二篇論文而來的評論中寫道。 "因任一對 qubits 都能耦合在一起，故在量子電腦中實作量子演算法，並替程式碼進行錯誤校正，將顯得更加容易。"

※ 相關報導：

＊ Coherent quantum state storage and transfer between two phase qubits via a resonant cavity
http://www.nature.com/nature/journal/v449/n7161/abs/nature06124.html

Mika A. Sillanpää, Jae I. Park & Raymond W. Simmonds
Nature 449, 438-442 (27 September 2007)
doi:10.1038/nature06124

＊ NIST Debuts Superconducting Quantum Computing Cable
http://www.physorg.com/news110032067.html

＊ Coupling superconducting qubits via a cavity bus
http://www.nature.com/nature/journal/v449/n7161/abs/nature06184.html

J. Majer, J. M. Chow, J. M. Gambetta, Jens Koch,
B. R. Johnson, J. A. Schreier, L. Frunzio, D. I. Schuster,
A. A. Houck, A. Wallraff, A. Blais, M. H. Devoret,
S. M. Girvin & R. J. Schoelkopf
Nature 449, 443-447 (27 September 2007)
doi:10.1038/nature06184