加州理工学院科学家推出消除量子计算机错误的新方法

加州理工学院科学家推出消除量子计算机错误的新方法未来的量子计算机有望彻底改变各个领域的问题解决方式，例如创造可持续材料、开发新药物以及揭示基础物理学中的复杂问题。然而，这些开创性的量子系统目前比我们今天使用的经典计算机更容易出错。如果研究人员能拿出一块特殊的量子橡皮擦，把错误擦掉，岂不美哉？研究人员首次成功演示了"擦除"错误的识别和清除。据《自然》杂志报道，由加州理工学院领导的一组研究人员率先展示了一种量子橡皮擦。物理学家们证明，他们可以精确定位并纠正量子计算系统中被称为"擦除"错误的错误。这项新研究的共同第一作者、加州理工学院物理学教授曼努埃尔-恩德雷斯实验室的研究生亚当-肖说："通常很难检测到量子计算机中的错误，因为仅仅是寻找错误的行为就会导致更多错误的发生。但我们的研究表明，通过一些细致的控制，我们可以精确定位并消除某些错误，而不会造成任何后果，这就是擦除这一名称的由来。"量子计算机基于亚原子领域的物理定律，例如纠缠，这是一种粒子在不直接接触的情况下保持相互连接和模仿的现象。在这项新研究中，研究人员重点研究了一种使用中性原子阵列或不带电原子的量子计算平台。具体来说，他们操纵了封闭在激光制成的"镊子"内的单个碱土中性原子。这些原子被激发至高能状态，即"雷德贝格"状态，在这种状态下，相邻原子开始相互作用。虽然量子设备中的错误通常很难被发现，但研究人员已经证明，只要小心控制，一些错误就能让原子发光。研究人员利用这种能力，使用原子阵列和激光束执行了一次量子模拟，如图所示。实验表明，他们可以摒弃发光的错误原子，使量子模拟运行得更有效率。图片来源：加州理工学院/兰斯-林田这项研究的另一位共同第一作者帕斯卡尔-烁尔（PascalScholl）解释说："我们量子系统中的原子会彼此交谈并产生纠缠，"他曾是加州理工学院的博士后学者，现就职于法国一家名为PASQAL的量子计算公司。纠缠是量子计算机超越经典计算机的关键所在。"然而，自然界并不喜欢保持这种量子纠缠状态，"Scholl解释说。"最终，错误会发生，从而破坏整个量子态。这些纠缠态可以看作是装满苹果的篮子，原子就是苹果。随着时间的推移，一些苹果会开始腐烂，如果不把这些苹果从篮子里拿出来换成新鲜的，那么所有的苹果都会迅速腐烂。目前还不清楚如何才能完全防止这些错误的发生，因此，目前唯一可行的办法就是检测和纠正错误"。新的错误捕捉系统的设计方式是，错误的原子在受到激光照射时会发出荧光或发光。Scholl说："我们有发光原子的图像，它们会告诉我们错误在哪里，因此我们可以将它们排除在最终统计之外，或者使用额外的激光脉冲来主动纠正它们。"在中性原子系统中实施擦除检测的理论最早是由普林斯顿大学电气与计算机工程教授杰夫-汤普森（JeffThompson）及其同事提出的。该团队最近还在《自然》（Nature）杂志上报告了该技术的演示。加州理工学院团队表示，通过消除和定位他们的雷德堡原子系统中的错误，他们可以提高纠缠的总体速率或保真度。在这项新研究中，研究小组发现，1000对原子中只有一对未能纠缠在一起。这比之前的结果提高了10倍，也是在这类系统中观察到的最高纠缠率。归根结底，这些结果对使用雷德贝格中性原子阵列的量子计算平台来说是个好兆头。中性原子是最具可扩展性的量子计算机类型，但直到现在它们才具有高纠缠保真度。参考文献：《高保真雷德堡量子模拟器中的擦除转换》，作者：PascalScholl、AdamL.Shaw、RichardBing-ShiunTsai、RanFinkelstein、JoonheeChoi和ManuelEndres，2023年10月11日，《自然》杂志。DOI:10.1038/s41586-023-06516-4编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1404799.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1404799.htm

科学家用计算机模拟量子技术中自旋缺陷的形成过程

科学家用计算机模拟量子技术中自旋缺陷的形成过程研究人员确定了在碳化硅中产生特定自旋缺陷的计算策略，为量子技术进步铺平了道路。他们的研究结果主要集中在二价自旋缺陷的形成上，这表明还需要做更多的工作来推广这种方法。这项研究对量子信息和传感应用至关重要，并得到了实验人员的密切合作和能源部的资助。图片来源：EmmanuelGygi提供。图中部分内容改编自ChristophDellago和PeterG.Bolhuis,Adv.Poly.科学》，施普林格出版社（2008年）。量子机制与当前挑战半导体和绝缘体中的电子自旋缺陷是量子信息、传感和通信应用的丰富平台。缺陷主要源自固体中的杂质和/或错位原子，与这些原子缺陷相关的电子带有自旋。这种量子力学特性可用于提供可控的量子比特，即量子技术中的基本操作单元。然而，人们对这些自旋缺陷的合成（通常是通过植入和退火工艺在实验中实现的）还不甚了解，更重要的是，还无法对其进行完全优化。碳化硅是一种极具吸引力的自旋量子比特宿主材料，因其具有工业可用性，但迄今为止，不同的实验在制造所需的自旋缺陷方面得出了不同的建议和结果。计算之旅和发现分子工程与化学教授加利是这篇新论文的通讯作者，他说："目前还没有一种明确的策略，可以按照我们想要的精确规格设计自旋缺陷的形成，这种能力对于推动量子技术的发展非常有利。因此，我们开始了漫长的计算之旅，并提出了以下问题：我们能否通过进行全面的原子模拟来了解这些缺陷是如何形成的？"加利的团队，包括小组的博士后研究员张存志和加州大学戴维斯分校计算机科学教授弗朗索瓦·吉吉结合多种计算技术和算法，预测了碳化硅中被称为"空位"的特定自旋缺陷的形成。空位是通过移除碳化硅固体中相邻的一个硅原子和一个碳原子而产生的。从以前的实验中了解到，这类缺陷是很有希望的传感应用平台。量子传感可以实现磁场和电场的探测，还能揭示复杂的化学反应是如何发生的，这些都是当今技术无法实现的。加利说："要在固态中释放量子传感能力，我们首先需要能够在正确的位置创造出正确的自旋缺陷或量子比特。 "为了找到预测特定自旋缺陷形成的方法，加利和她的团队结合了几种技术，帮助他们观察缺陷形成时原子和电荷的运动与温度的函数关系。团队量子模拟中使用的第一原理分子动力学代码Qbox的主要开发者Gygi说："通常情况下，当自旋缺陷产生时，其他缺陷也会出现，这些缺陷可能会对自旋缺陷的目标传感能力产生负面干扰。这样一来，能够充分理解缺陷形成的复杂机理非常重要。 "技术与预测研究小组将Qbox代码与中西部计算材料综合中心（MICCoM）开发的其他先进采样技术相结合，该中心是一个计算材料科学中心，总部设在阿贡国家实验室，由能源部资助，Galli和Gygi都是该中心的高级研究员。加利说："我们的综合技术和多重模拟向我们揭示了在碳化硅中高效、可控地形成二价自旋缺陷的特定条件。在我们的计算中，我们让基本物理方程告诉我们缺陷形成时晶体结构内部发生了什么"。未来方向与合作研究小组预计，实验人员将有兴趣使用他们的计算工具来设计碳化硅和其他半导体中的各种自旋缺陷，但他们也提醒说，要推广他们的工具来预测更广泛的缺陷形成过程和缺陷阵列还需要做更多的工作。加利说："但我们提供的原理证明非常重要--我们证明了可以通过计算确定产生所需自旋缺陷所需的一些条件。"接下来，她的团队将继续努力扩大他们的计算研究，并加快他们的算法。他们还希望扩大研究范围，纳入一系列更现实的条件。"在这里，我们只研究块状样品，但在实验样品中，存在表面、应变和宏观缺陷。我们希望在未来的模拟中加入这些因素，特别是了解表面如何影响自旋缺陷的形成。"虽然她的团队是在计算研究的基础上取得的进展，但加利说，他们的所有预测都植根于与实验人员的长期合作。"如果没有我们所处的生态系统，没有与实验人员的不断交流和合作，这一切都不会发生。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1394863.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1394863.htm

科学家首次在量子计算机中重现可穿越的虫洞

科学家首次在量子计算机中重现可穿越的虫洞爱因斯坦本人在他的广义相对论中提出了它们的存在，此后的几十年里，科学家们一直在研究我们可能在哪里以及如何找到它们。但对它们的特性仍然知之甚少，几种相互矛盾的模型都有可能。这就产生了一个悖论--为了找出更多的知识，我们需要对真正的虫洞进行观测，但为了观测它们，我们又需要找出更多的东西，这样我们就知道要寻找什么。计算机模拟可以帮助打破这一怪圈，让物理学家测试不同的虫洞模型，以观察它们可能会有什么表现。在新的研究中，科学家首次实现了这一点。不过这种模拟不能在普通的计算机上运行--它需要量子计算机的力量，量子计算机可以进入量子物理学的奇特领域，进行传统计算机无法企及的计算。该团队正在研究虫洞和量子物理学之间的有趣关联--虫洞在眨眼间将东西送过宇宙的想法听起来很像量子传送，在那里，信息可以在两个纠缠的粒子之间立即发送，无论它们相距多远。来自加州理工学院、哈佛大学、费米实验室和Google的科学家利用Google的Sycamore量子处理器首次模拟了虫洞。关键是一个被称为SYK的既定模型，它可以模拟量子引力效应--在这种情况下，研究小组将两个简化的SYK系统纠缠在一起，然后将一个量子比特（qubit）的信息发送到其中一个。果然，该信息从第二个系统中出现了。这不仅证明了量子传送，而且由于这两个SYK模型也模拟了量子引力，它是对现实世界中可穿越的虫洞如何工作的现实模拟。长期以来，人们一直预测，为了使虫洞保持足够长的开放时间，以便有东西通过，它需要受到负能量爆炸的冲击。在模拟中，研究小组测试了这一想法，并发现只有当他们用模拟的负能量脉冲击中它时，虫洞的特征才会起作用--但不是正能量。该团队说，这验证了该模型所代表的不仅仅是一个标准的量子传送事件。当然，这与实际的时空隧道相去甚远，但该团队表示，如果现实世界的虫洞存在的话，这个模型可以帮助物理学家探测其特性。这可能会促进我们对它们的理解，以至于我们最终会研究出如何在宇宙中寻找它们。这项研究的主要研究人员玛丽亚-斯皮罗普鲁说："我们发现了一个量子系统，它表现出引力虫洞的关键特性，但又足够小，可以在当今的量子硬件上实现。这项工作构成了向使用量子计算机测试量子引力物理学的更大计划迈出的一步。它并不像其他计划中的实验那样替代对量子引力的直接探测，这些实验可能在未来使用量子传感来探测量子引力效应，但它确实提供了一个强大的测试平台来锻炼量子引力的想法。"该研究发表在《自然》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1334117.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1334117.htm

量子飞跃：用混合计算揭开复杂分子的秘密

量子飞跃：用混合计算揭开复杂分子的秘密现在，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）和化学系的研究人员已经探索了使用量子计算机解决这些电子结构的可能性。研究人员开发了一种新的混合模拟过程，使用量子计算机解决电子结构问题，有可能使量子计算机在未来处理更复杂的化学结构。这项研究使用了新的计算方法的组合，在线发表在《化学理论与计算》杂志上。它得到了Q-NEXT的支持，这是一个由阿贡领导的美国能源部国家量子信息科学研究中心，以及中西部计算材料综合中心（MICCoM）。GiuliaGalli说："这是朝着使用量子计算机来解决计算化学中的挑战性问题迈出的令人兴奋的一步，"他与阿贡的工作人员科学家和芝加哥大学先进科学和工程联合会（CASE）的成员MarcoGovoni一起领导了这项研究。计算方面的挑战预测一种材料的电子结构需要解决决定电子如何相互作用的复杂方程，以及模拟各种可能的结构在其整体能量水平上如何相互比较。与以二进制比特存储信息的传统计算机不同，量子计算机使用可存在于叠加状态的量子比特，让它们更容易和快速地解决某些问题。计算化学家们一直在争论量子计算机是否以及何时能够最终比传统计算机更好地解决复杂材料的电子结构问题。然而，今天的量子计算机仍然相对规模较小，并会产生噪音数据。使用量子计算机预测复杂材料的电子结构GiuliaGalli教授和其他研究人员探索了使用量子计算机预测复杂材料的电子结构的可能性，这是从材料工程到药物设计等领域的一个进步。即使有这些弱点，加利和她的同事们想知道他们是否仍能在创建量子计算机上解决电子结构问题所需的基础量子计算方法方面取得进展。"我们真正想解决的问题是，在目前的量子计算机状态下，有可能做什么，"Govoni说。"我们提出了这个问题：即使量子计算机的结果是有噪音的，它们是否仍然可以用来解决材料科学中有趣的问题？"一个迭代过程研究人员设计了一个混合模拟过程，他们使用的是IBM量子计算机。在他们的方法中，少量的量子比特--四到六个之间--执行部分计算，然后用经典计算机进一步处理结果。"我们设计了一个迭代的计算过程，利用了量子计算机和传统计算机的优势，"加利小组的研究生、新论文的第一作者BenchenHuang说。经过几次迭代，模拟过程能够提供固态材料中几个自旋缺陷的正确电子结构。此外，该团队还开发了一种新的错误缓解方法，以帮助控制量子计算机产生的固有噪声，并确保结果的准确性。对未来的提示就目前而言，使用新的量子计算方法解决的电子结构已经可以用常规计算机来解决。因此，长期以来关于量子计算机在解决电子结构问题上是否能优于经典计算机的争论还没有解决。然而，新方法提供的结果为量子计算机解决更复杂的化学结构铺平了道路。Huang说："当我们将其扩大到100个量子比特，而不是4个或6个时，我们认为我们可能比传统计算机更有优势。但只有时间能证明这一点"。该研究小组计划继续改进和扩大他们的方法，以及用它来解决不同类型的电子问题，如有溶剂存在的分子，以及处于激发状态的分子和材料。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1353817.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1353817.htm

科学家用纠缠电子构成的准粒子制造人造量子磁体

科学家用纠缠电子构成的准粒子制造人造量子磁体艺术插图描绘了钴-酞菁分子的磁激发，其中纠缠的电子传播成三重子。资料来源：JoseLado/AaltoUniversity"这些材料非常复杂。它们能提供非常令人兴奋的物理学，但最奇特的材料也很难找到和研究。"阿尔托大学原子尺度物理学研究小组组长彼得-利尔耶罗斯教授说："因此，我们正在尝试一种不同的方法，利用单个成分构建人工材料。量子材料受微观层面电子间相互作用的支配。这些电子关联导致了不寻常的现象，如高温超导或复杂磁态，而量子关联又产生了新的电子态。在两个电子的情况下，存在两种纠缠态，即单重态和三重态。向电子系统提供能量可以将其从单重态激发到三重态。在某些情况下，这种激发会以一种称为三重态（triplon）的纠缠波在材料中传播。传统磁性材料中不存在这种激发，因此测量这种激发一直是量子材料领域的一项挑战。在这项新研究中，研究小组利用小型有机分子创造了一种具有不同寻常磁性能的人工量子材料。实验中使用的每个钴-酞菁分子都含有两个前沿电子。德罗斯特说："利用非常简单的分子构件，我们能够以一种前所未有的方式设计和探测这种复杂的量子磁体，揭示其独立部分所不具备的现象。虽然人们早已利用扫描隧道光谱法观测到了孤立原子中的磁激发，但还从未利用传播的三重子完成过这一观测。我们利用这些分子把电子捆绑在一起，把它们装进一个狭小的空间，迫使它们相互作用，从外部观察这样的分子，我们会看到两个电子的联合物理学。因为我们的基本构件现在包含两个电子，而不是一个，所以我们看到的是一种非常不同的物理学。"研究小组首先监测了单个钴-酞菁分子的磁激发，随后监测了分子链和分子岛等较大结构的磁激发。研究人员希望通过从非常简单的现象入手，逐步提高复杂性，从而了解量子材料中的突现行为。在目前的研究中，研究小组可以证明，其构建模块的单三重激发可以作为被称为三重子的奇异磁性准粒子穿越分子网络。"我们的研究表明，我们可以在人造材料中产生奇异的量子磁激发。"这项研究的共同作者之一、阿尔托大学相关量子材料研究小组负责人何塞-拉多（JoseLado）助理教授说："这一策略表明，我们可以合理地设计材料平台，为量子技术开辟新的可能性。"研究小组计划将他们的研究方法扩展到更复杂的构件，以设计量子材料中其他奇异的磁激发和有序化。从简单成分出发进行合理设计，不仅有助于理解相关电子系统的复杂物理，还能为设计量子材料建立新的平台。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379219.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379219.htm

谷歌科学家发布：量子计算机取得重大突破

谷歌科学家发布：量子计算机取得重大突破谷歌科学家最近在ArXiv平台上发布了一篇预印本论文，声称在量子计算机领域取得了重大突破。他们表示，通过对Sycamore处理器的升级，谷歌成功提升了量子位的数量，从之前的53个增加到了70个。这次实验中，谷歌科学家们执行了一项名为随机电路采样的任务，这个任务在量子计算中用于评估计算机的性能和效率。通过运行随机电路并分析结果输出，科学家们测试了量子计算机在解决复杂问题方面的能力。谷歌的研究结果显示，升级后的70个量子位的Sycamore处理器在执行随机电路采样任务上比业内最先进的超级计算机快了几十亿倍。例如，需要业内最先进超级计算机Frontier计算47.2年才能完成的任务，53个量子位的Sycamore处理器只需要6.18秒就能完成，而新版的70个量子位的Sycamore处理器速度更快。来源，，来自：雷锋频道：@kejiqu群组：@kejiquchat投稿：@kejiqubot