量子位控制的新形式可能會產生更長的計算時間

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本文由Rehoo團隊Leery原創，無授權禁轉！(圖片來自網路）

量子計算就是控制量子態。最近，關於量子計算機計算的消息已經出來了，其中有控制事物理所當然的能力。但事實是控制仍然是量子計算機發展的限制因素。

問題的核心是量子位，一個用於編碼信息的量子對象。量子計算機的一部分功能是可以將一個量子位置於一個疊加狀態，更多的位於下面允許一種並行性。量子演算法的目的是操縱量子比特的疊加態，以便當我們測量量子比特時，它返回一個對應於正確答案的比特值。這意味著控制疊加狀態，這涉及到相當多的高精度（和高價格）設備。改進通常涉及更昂貴的設備。但是 新的研究表明，使用現有的設備和更好的想法，我們可以將控制力提高1000倍。

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為了理解控制問題，我們需要對疊加有一些了解。當我們描述一個量子疊加態時，我們經常使用一個捷徑，像「這意味著粒子同時在兩個位置」。但是這並沒有為我們的目的削減它，我認為這是誤導。量子物體有許多我們可以測量的性質。直到像位置被測量它才沒有價值。相反我們必須考慮可能性：如果我們要進行測量，我們將獲得一定的價值的概率是多少？這是表面。表面下是一個非常不尋常的概念，稱為「概率振幅」。一個概率總是正的（或零），但是幅度可以是正面的，負面的甚至是複雜的。

讓我們想像我們有一個單一的粒子，在一個有兩個孔的屏幕上開火。粒子可能通過任一個洞或擊中屏幕。在屏幕的另一邊，我們放置一個探測器，問自己：「我們將發現一個粒子的概率是多少？那麼為了獲得這個結果，我們必須加上粒子可以帶到探測器的每條路徑的概率幅度。振幅可以是正值或負值，所以總和不一定更大。它甚至可以是零。如果我們對許多不同的探測器位置進行這種計算，我們會發現許多地方的概率絕對為零，許多地方的可能性相同。如果你執行這個實驗，這正是你所測量的。經過一千個單獨的顆粒通過這些孔後，有一些地方他們從來沒有被發現和其他定期檢測。

我要去哪裡？在量子力學中，為了準確地預測這些結果，你需要知道一個粒子可能達到某個位置的所有可能的路徑。所以在上面的例子中，需要考慮探測器的兩條路徑。這導致人們說粒子一次通過兩個孔。但是概率振幅的增加決定了粒子可能被檢測到的位置以及永遠不會被檢測到的位置。因此如果修改粒子可能採用的路徑之一，則意味著您修改幅度，從而改變可能找到粒子的位置。

所以，測量值的概率取決於概率波的歷史。這涵蓋了所有可能的途徑。這可以變成一個優秀的感測器。事實上，我們使用這個屬性來衡量時間的流逝和精妙的敏感度。它也適用於測量其他屬性。一個常見的例子是感應磁場。像電子一樣也是一個小小的磁鐵。電子的磁鐵將與磁場對準或反對準。所以可以把電子置於對齊和反對齊的疊加狀態。磁場的影響是修改兩個狀態的概率幅度，而變化的大小取決於磁場的強度。通過磁場後測量電子的磁鐵的方向。一個單獨的測量告知什麼都沒有，但是在一千個電子之後，有了兩個方向的相對概率。由此可以計算出磁場強度。

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原則上，這可以是一個高度精確的感測器。只有一件因素會發生：噪音。概率幅度的值取決於他們所走的路徑（儘管不一定是他們距離）。這條路徑被當地環境以不可預知的方式改變，所以每個電子實際上是我們要測量的磁場的影響的測量結果以及來自雜訊的隨機釋放。後者對於每個電子是不同的。如果雜訊足夠大，則所有這些均衡，使得兩個測量結果（對齊和反對齊）具有相同的概率。噪音不能減少。所以為了獲得一個好的測量結果，必須使電子對隨機波動不太敏感，並且對信號更加敏感。

在測量與時間有關的信號的情況下，要做到這一點的方法就是反覆捶打電子。在沒有任何重擊或任何噪音的情況下，電子的概率波隨著時間順利地變化。噪音增加了這些變化的小跳躍。它看起來有點像一波未雨綢繆因為那些阻礙了信號。相反要用擊中電子產生足夠大的跳躍，以交換兩種可能結果（這稱為「脈衝」）的概率幅度。當定期執行此操作時，效果撤消在時間間隔內累積的所有由噪音驅動的更改。

所以如果沒有信號，只有噪音沒有測量概率的凈變化。但是如果磁場以恆定的頻率振蕩（或者更確切地說，以該頻率驅動量子比特），則概率振幅的變化將會累積。這隻有在信號在與給予系統的重擊之間的時間間隔相同的時間內變化時才有效。本質上有一個非常狹窄的過濾器。雖然濾波器的頻率足夠窄，但頻率不能平滑移動，所以不能跨頻率掃描。最大的問題是技術。這些脈衝必須由某種東西產生，而一個好的信號發生器可能每納秒更新其輸出。這意味著只能改變脈衝之間的間隔（和每個脈衝的長度）增加一納秒。

想像一下想要測量變化的磁場的頻率和振幅。要知道磁場的變化頻率約為5MHz（這意味著在100ns內，磁場從完全正向完全負向）。但是你完全不知道頻率。為了找到磁場在整個時間內逐步調整脈衝間隔，以覆蓋整個範圍。會發現什麼都沒有。因為磁場變化的頻率在可以採取的最小步驟之間。同樣的問題也適用於量子比特的控制。在一個具有多個量子位的器件中，每個器件都有一點不同，必須用稍微不同的微波脈衝來控制。我們的儀器的解決方案不能使這個優化得很好。事實證明，解決這個問題的辦法是把電子處理得更好一些。這種平滑的微波脈衝具有增加脈衝時間解析度的有趣效果。結果得到更高的頻率解析度（和更好的量子位控制）。

在開關脈衝中，脈衝發生器的幅度只有兩個值中的一個。在平滑增減的脈衝中，可以使用發生器的幅度範圍的滿刻度來將每個脈衝的中心位置改變為比單納秒小得多的量。本質上即使脈衝發生器實際上沒有實際輸出中心值，自然也通過插值來計算出脈衝的中心。

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結果是，具有14位數模轉換器和1納秒時間解析度的脈衝發生器可以將脈衝中心之間的定時僅改變皮秒。這是一千倍的提高。研究人員表明，它通過對施加於電流超導環路的磁場進行光譜分析。然後他們應用相同的技術來測量鑽石中單個碳原子（較重的同位素：13 C）的核磁共振頻率。在這兩種情況下，他們都能夠以高得多的解析度進行測量。基本上，研究人員已經採取了一些大多數實驗室所擁有的設備，但是他們用的方式稍有不同。結果是應該只能用未來的脈衝發生器得到的東西。

但是，即使得到的結果所理解的論據，卻仍然不知道這是如何工作的。大自然並不像我們所做的那樣介入 。電子或者選擇的任何量子物體，都可以看到脈衝的實際情況。一組離散的電壓，以固定的時間間隔以固定的步長增加和減少。真正重要的是所謂的「脈衝區」脈衝的中心可以被定義為積分達到總數一半的時間。對於振幅平滑變化的脈衝，脈衝形狀的微小變化可以以受控的方式在達到該中點的地方變化。

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關鍵是區域，對於方形脈衝，即使時間步長相當粗糙，該區域仍然可以連續變化。您只需要改變方波脈衝的開環幅度。不過這項技術將成為許多人的福音。那些在量子計算中工作的人員能夠控制他們的疊加狀態，並且需要使用這種技術。而現在他們應該能夠以更高的精度來控制量子態，這意味著存儲的量子信息將會持續更長的時間，並且可以進行更多的計算。在這方面，這是一個堅實的進步。

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