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未来之声 量子计算的新模拟

2019-09-23 16:00:58来源:

在数字时代,人类会创建大量数据-无论是通过社交媒体帖子,电子邮件和Google搜索等日常物品,还是有关健康,财务和科学发现的更复杂信息。

国际数据公司(International Data Corp.)的报告称,2018年全球数据层包含33 ZB,即33万亿千兆字节。到2025年,他们预计这一数字将增长到175 ZB。DVD上存储的175 ZB信息将填满足够的DVD,使其绕地球旋转222次。

尽管量子计算已被吹捧为智能地对大数据进行分类的一种方式,但量子环境却难以创建和维护。纠缠的量子位状态或量子位通常在崩溃前持续不到一秒钟。量子位对周围环境也非常敏感,必须存储在低温下。

在《自然研究》杂志《通信物理学》上发表的一篇论文中,亚利桑那大学材料科学与工程系的研究人员证明了在经典环境中声波在没有时间限制和脆弱性的情况下进行量子信息处理的可能性。

材料科学与工程系研究主任,论文的作者之一基思·朗格说:“我们可以运行我们的系统很多年。”“它是如此强大,我们可以把它带到一场贸易展览会上,而完全不会受到干扰-今年早些时候,我们做到了。”

材料科学与工程研究助理教授Arif Hasan领导了这项研究。其他合著者包括MSE研究助理教授Lazaro Calderin;本科生Trevor LataMSE和光学科学教授Pierre Lucas;MSE系主任,应用数学研究生跨学科计划成员,BIO5研究所成员Pierre Deymier。该团队正在与UA办公室-Tech Launch Arizona进行合作,该办公室将源自研究的发明商业化,为其设备申请专利,并正在研究将创新推向公众的商业途径。

量子叠加

在经典计算中,信息存储为0或1,这与硬币必须落在正面或反面的方式相同。在量子计算中,量子位可以同时存储在两个状态中-所谓的状态叠加。想一想硬币的侧面平衡,旋转得如此之快,以至于正面和反面似乎都同时出现。

当量子位纠缠在一起时,一个量子位发生的任何事情都会通过一种称为不可分离性的原理影响另一量子位。换句话说,将一张旋转的硬币击倒在桌子上,而同一张桌子上的另一颗旋转硬币也会掉下来。称为非局部性的原理使粒子即使彼此相距很远也能保持链接-击落一个旋转的硬币,并且它在宇宙另一侧纠缠在一起的硬币也掉落了。纠缠的量子比特创建了一个贝尔状态,在该状态中,一个集合体的所有部分都相互影响。

Deymier说:“这很关键,因为如果只操作一个量子位,就可以操纵整个量子位集合。”“在普通计算机中,您将很多信息存储为0或1,并且必须分别寻址每个信息。”

从光到声音

但是,就像硬币在其边缘旋转一样,量子力学非常脆弱。测量量子态的行为可能导致链接崩溃或退色-就像拍摄旋转硬币的照片将意味着仅捕获硬币的一侧一样。因此,量子位状态只能维持很短的时间。

但是,有一种方法可以使用量子力学进行数据处理:光学科学家以及电气和计算机工程研究人员已经证明了创建光子或光单位系统的能力,这些光子或光单位具有不可分离性而不会出现局部性。尽管非本地性对于诸如密码学之类的特定应用很重要,但是不可分离性对于诸如量子计算之类的应用却很重要。在经典贝尔状态下不可分离的粒子,而不是在量子贝尔状态下纠缠的粒子,更加稳定。

材料科学与工程团队进一步证明了这一点,它首次证明了经典的不可分离性可以应用于声波,而不仅仅是光波。他们使用phi位,即由称为声子的准粒子组成的单位,它们传输声波和热波。

Deymier说:“光激光器和单光子是场光子学的一部分,但是声波却属于声子学或声子研究的范畴。”“除了稳定之外,经典的纠缠声波还易于与之交互和操纵。”

复杂科学,简单工具

展示这种复杂概念的材料很简单,包括三根铝棒,足够的环氧树脂将它们连接起来,以及一些橡皮筋以增强弹性。

研究人员沿杆发出一阵声波振动,然后监视波的两个自由度:波沿杆向下运动的方向(向前或向后)以及杆之间如何相对移动(无论它们是否向内挥舞)相同的方向和相似的幅度)。为了将系统激发为不可分离的状态,他们确定了两个自由度相关联的频率,并以该频率发送电波。结果?贝尔州。

Deymier说:“因此,我们拥有一个声学系统,使我们有可能创建这些贝尔状态。”“这是量子力学的完整模拟。”

证明这是可能的,这为将经典的不可分离性应用到新兴的声子学领域打开了大门。接下来,研究人员将努力增加经典纠缠的自由度的数量-越大越好。他们还希望开发可以使用这些不可分割的状态来操纵信息的算法。

系统完善后,他们计划将其尺寸从桌面减小到微尺度,以准备在全球数据中心的计算机芯片上进行部署。

这项工作得到了WM Keck基金会和美国国家科学基金会研究与创新计划的新兴前沿的支持。