攢機不是技術活,我行你行大家行
又到一年一度的雙十一,今年人民教育家馬爸爸又給我們帶來了新的點贊游戲,用別人的平臺賺自己的錢,真的想問哪位產品經理設計出來的,我很期待“有夢想誰都了不起的”的Pony老板又會安排被微信小游戲耽誤了的“高爾夫冠軍”張小龍會制造出什么新的“Ali斷舍離”措施。
那么,作為C114 Future部量子研究所的二號研究員我決定給大家一篇,畢竟普通的雙十一已經滿足不了中國人民了。
首先,作為一名普通用戶,目前市場可以合法購買的只有D-wave的量子計算機,價值1500萬美元的整機顯然不符合我們動手攢機的行動準則,Pass。
至于Dakyo君在上篇中介紹的Microsoft的拓撲量子計算機八字還沒一撇,Pass。
接下來,我們來看超導量子計算機,看起來不錯,不僅理論體系成熟,而且Google和IBM都已經成功打造出不同量子比特(Qubit)數的原型機。
但如上圖所示,太占地方,考慮到大家的財務情況不太可能包下一棟樓來攢機(心疼你們一秒),顯然沒有性價比。同理,牙膏廠的量子芯片也Pass。
接下來的選擇就不多了,例如,清華大學的NMR量子計算機,盡管核磁共振技術已經有70多年的發展歷史,但應用在單量子操縱上,情況不慎良好,射頻脈沖不可能不影響到其他量子比特,Pass。
那么,這里我將為大家推薦一種高性價比的量子計算機攢機方案,這也是清華大學姚期智教授領軍的交叉實驗室所選擇的方向——“鉆石”量子計算機。
在今年九月的國際量子密碼大會上,姚期智教授在演講中提及,“比起離子阱和超導技術,選用鉆石材料制造的量子計算機所占的空間要小得多。而且作為固態量子計算機,金剛石材料更具代表性,不僅物理結構更加穩定,在實驗當中相干時間也更長,保持了10分鐘之久。”(當然,相干時間并不代表你操縱量子比特時真正能夠用來運算的時間,我在后面會提到。)
大家來攢機吧
雖然,我們不用考慮牙膏廠還是農企的顯卡,但是無論選用上面何種手段,必須要考慮的問題是——良好Qubit的制備。
所謂Qubit,區別于傳統的0和1,并不僅僅是0和1的疊加(Superposition),而是0-1之間一切位置的疊加,如同用1、0僅僅是高、低電平的數學形式。而且疊加同樣僅存在于不對其干擾(無論是觀察還是測量)的時刻。
感謝海森堡,我們仍未知道那天所藏的貓的生死。
鉆石除了恒久遠之外,實際上擁有著令人驚異的優質屬性,除了眾所周知的穩定結構之外,在Qubit制備方面,更有著其他方案難以企及的優勢——無需冷卻液,你甚至在室溫環境即可制備Qubit,簡直是攢機首選。
Crystals are like people,it is defects in them which tend to make them interesting!
——Colin Humphreys
正如英國物理學家Colin Humphreys所說,鉆石就如同人一樣,正是它的缺陷讓它更加迷人!
氮晶格空位中心鉆石(Nitrogen-Vacancy center diamond)示意圖
你甚至不需要用到一顆完美的鉆石,驚不驚喜,我們需要的是有獨特缺陷的鉆石,這是一種被稱為氮晶格空位中心鉆石(Nitrogen-Vacancy center diamond),這種結構更加適合捕捉電子,并且由于空位的存在會與相關的自由電子的“自旋”產生疊加態,自發的構成Qubit。除了制備Qubits外,科學家也在研究其作為量子中繼器,跨越長距離保持脆弱的量子信息的可能性(好了,閃存和硬盤的問題也解決了)。
當然,有缺陷的鉆石也是鉆石,似乎不太滿足我們高性價比的標準,接下來才是這個方案的核心內容。
在我的BGM里你甚至能自己造鉆石!
是時候點贊評論轉發一波了。
在實驗室里,你可能得到的是一臺微波等離子設備(Microwave plasma chamber),但實際上,你只需要一臺家用微波爐即可,畢竟二者頻率、功率都差不多。唯一麻煩的一點是你需要制造一個真空環境來點燃等離子體,但眾所周知,真空環境用壓縮袋抽一抽就可以制造了。
真的和家用微波爐差不多的,你們相信我
接下來就是初中化學知識,整點甲烷作為碳載體混入氫氣放入微波爐(有關氫氣的制備,請參考馬特呆萌所著《我在火星那旮旯上的五百多天》),從而制造出CH3基團來打造鉆石的基礎晶格,只需三天你就能打造出一個直徑10毫米左右。
(考慮的你們的真空環境,可能達不到這個標準,不過我們的量子計算機也不需要太大的鉆石,3、4毫米便可用于測試了,微波爐大概轉兩天就可以了,畢竟電費也在我的考慮范圍)
很多人都在這一步失敗了,失敗的原因并非他們的實驗設備、或者環境出了問題,而是他們把做好的鉆石拿去賣了?這不是雙十一回血指南,專心攢機好嗎!
答應我,好好攢機
然后,你去超市買一把離子槍(Ion Gun)射向鉆石就可以制造出完美需要的有缺陷的鉆石了。
當我們有了“完美”鉆石,能夠制備良好的Qubit時,我們需要的是制備更多的鉆石。不對,是Qubit,并使其兩兩糾纏。如果說疊加賦予了量子不屈的靈魂,量子糾纏(Entanglement)則是量子霸權的強健軀干。
2012年時,這種鉆石量子計算機被科學家成功打造出來,當然在當時僅有2個糾纏的Qubits,但依然成功運行了Grover算法,并且保持了95%的成功率。
接下來,你只要再制備3998個完美糾纏的Qubits就能破解目前一切的RSA加密算法,網絡不是法外之地,大家自重。
到這里,讓我們檢查一下制備一臺量子計算機的必備清單:
明確定義的良好Qubits:標準先行 有質有量 √
可初始化的系統:完全操控Qubits的狀態——基態、疊加或是糾纏
量子電路門:能夠運行算法
具有量子特性的測量:唯有測量才能賦予一切意義 測量即是輸出結果
長相干時間:系統唯有穩定,方能持續有效 √
當我們有了良好的Qubits之后,我們便可以試著操縱它們,當然你需要置購或者租借一臺可以激光脈沖發射裝置,通過激光可以觀測鉆石中Qubits的狀態,并通過脈沖初始化或者激活系統,便于重復實驗。同時,微波脈沖可以賦予其疊加或者糾纏的狀態(鉆石量子計算機Qubits的相干時間的確可以保持的很長,但當我們使用/干擾它們時,留給我們的時間僅有毫秒級,即使如此也夠運行程序了,如果能保持在液氮溫度下,則可以將時間延長到秒級)。
在完美糾纏基礎上,感謝半導體技術和激光技術的飛躍發展,作為量子電路的基本構建模塊,在打造量子門這一步上,研究界已經非常成熟了。我們不僅可以通過激光器,分束器、磁場控制單元和移相器等來構建所需的量子門(選擇不多,夠用就行),科學家甚至研制出了能夠“傳送”量子門的裝置。
再接下來,就是將電路嵌合到電路板上,這一過程MIT的研究人員們已經為我們解決了,甚至貼心的使用了硅基模板來方便我們打造QPU(Quantum Processing Unit)。
image:Dirk Englund和Sara Jarret,MIT
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原文標題:圍觀:全球首篇量子計算機攢機指南
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