研究& Innovation

建立一个更好的量子计算机,通过计数孔开始

拓扑物理突破可能打开门,无差错的计算和超高速电子

Abstract depiction of quantum computing

量子计算机有可能改变现代生活,用神秘和奇妙的量子现象,如纠缠解决问题数百万次,甚至比目前速度最快的超级计算机快。但有一个问题:信息,或量子位的单位,在其量子计算依赖是非常脆弱的,而且容易被破坏现实世界的设置。

现在,研究人员在AG体育的领导,努力通过利用的事实,一些最近发现的量子态类似于对象的属性,在拓扑探索,数学的一个分支,以创造更强大和更不容易出错的量子计算机是研究如何形状可以变形和下小绵延改变。 “支配拓扑对象和这些新的量子态的数学公式是非常相似的,物理学是复杂的,但在数学上是同样的事情,解释说:” 春雷曲,助理教授 物理 和的构件 中心量子科学与工程 (cqse)。

到拓扑学,球体可以被扭曲成几乎任何其他形状立方体,圆柱体,等等,很像成型粘土,而不改变其基本性能。但你不能简单地通过扭曲和拉伸改变球体成圆环形;相反,你需要它来打眼。这使得在任何给定的形状独特的和持久的拓扑性质和那些相同的特性也在一些异国情调的量子态中发现的孔数。 “我们可以设计电子,原子和光子的拓扑状态和确定它们的量子态的数学结构是否具有一个‘洞’或两个‘孔’,或更大,”去解释。

这很重要,因为存储在拓扑量子态的信息是非常强大的。只是作为一个圆环可形状来压扁出来,但仍然只有一个孔,所以一个量子位可以与拓扑量子状态进行编码,即使是在环境混乱会损坏并使用常规量子位存储损坏的数据等外。 “这是一个很大的deal-它是令人难以置信的容易出错的量子计算机,一个字面上从未犯错的区别,”去解释。

通过使用激光来陷阱调查拓扑量子现象,屈氏团队调查超冷原子气体和绝对零度的头发的广度内冷却原子,微调传入和传出的光子的波长,以降低原子热能总。然后超冷原子可以被布置在稳定晶格到噪声较大的特性,更高能量的固体电子材料建模。使用激光以与超冷原子相互作用,这是可能的,以模拟的磁场和自旋 - 轨道相互作用,其产生拓扑性质在原子气体,以相同的方式,因为这其中出现在固态电子材料。 “这些特殊的相互作用完全改变了系统的波函​​数,”去解释。 “数学,它从一个领域到甜甜圈变化。因为无序的,并具有超冷原子游离气体 - 的独特性能的前所未有的可控性,它们提供了拓扑量子物理学研究的理想平台。”

微软已经在开发基于拓扑量子位的量子计算机,但对于曲的球队,量子计算是故事的一部分。在量子冲孔数学“洞”规定变换的物理系统与显着的特性完全的新材料。 “你可以用拓扑量子位的量子计算,但拓扑量子系统也具有完全不同的功能新材料,”去解释。

一个示例:通过驱动的电子材料成拓扑状态,有可能在适当位置到针的电子,使得散装材料的一个完美的电绝缘体。在材料的最外边缘,但是,与不同的自旋电子移动frictionlesslyaround周边。这种材料完美在超导缀满绝缘皮被称为拓扑绝缘体,他们可以打开大门的电子新领域,与研究人员操纵粒子的自旋和拓扑性质创建dissipationless晶体管,量子交换机和其他微小的,但功能强大电子元器件。

在自然界通讯最近的一篇文章,曲和他的合作者更进一步的是,砸的超冷原子云共同打造的自旋流,在量子信息是使用自旋而不是电荷传输。这是潜在的有价值的,因为自旋电流可以不通过材料的电荷的净流动持续,允许是极快的和节能的电子组件的创建,但产生旁边没有性或耐热。

超冷原子也可以通过工程称为挤压量子现象用于精密测量。量子物理学的测不准原理说,我们不能同时都知道的位置和动量的粒子,而是通过减少约一组属性的确定性,曲和他的合作者已经能够测量颗粒的其他性能令人难以置信的准确,同时保留量子物理学的基本原理。

使用这样的技术,某些量子测量的精度可以被改善显著。该突破可能帮助极其精确的原子钟的创建,全球定位系统能够英寸的一小部分内找准自己的位置,设备,甚至量子设备足够灵敏直接测量引力波。

有一点可以肯定,曲说:量子理论的发展一百年之后,仍然有离开的研究人员发现了大量。 “我们披露的理解量子世界全新的方式,”他说。 “我们对量子拓扑研究铺平了道路不只是速度更快的计算机,但是这将彻底改变我们的生活方式的技术。”

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