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伊文·万德斯芬 发表评论(0) 编辑词条

(图)Lieven VandersypenLieven Vandersypen

伊文·万德斯芬(Lieven Vandersypen)。Professor Lieven Vandersypen 是2008 Nicholas Kurti欧洲科学奖的得主。他的研究方向是自旋的相干调控,这项研究由于在量子信息处理中的极大应用而闻名于世。

个人主页:http://qt.tn.tudelft.nl/~lieven/

联系方式:Kavli Institute of NanoScience
Delft University of Technology
Lorentzweg 1
2628 CJ Delft
the Netherlands

Phone: ++ 31 15 278 24 69
Fax: ++ 31 15 278 32 51

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首次利用核磁共振分解整数因子 编辑本段回目录

   据英国Nature, 2001, 4:14报道, 近日科学家成功地利用核磁共振技术实现了肖尔(P.Shor)量子分解算法。 

(图)Lieven VandersypenLieven Vandersypen

   目前公认的计算机算法复杂度均为指数级别,在O(2l )以上,这里l为所要分解的正整数位数,因此大整数分解被认为是难以实现的,并被作为当前广泛使用的密码的基础。1990年代,肖尔提出了量子分解算法,指出使用量子计算机可以在多项式时间内进行分解。这一算法的两个主要部分——指数求模以及量子傅立叶变换的复杂度均仅为O(l3)。 
   日前美国IBM 阿尔马登(Almaden)研究中心和斯坦福大学的范德西彭 (L. Vandersypen) 等人根据这一算法对15分解得到了质因子3和5。15是对肖尔算法有效的最小正整数,该算法对偶数以及质数的整数幂皆不可行。在他们的实验中,利用室温液态核磁共振技术,使用了一个合成分子中的7个原子核,包括5个19F和2个13C作为量子位元(quantum bit),通过测定其中3个原子核的光谱即可得到15的质因子。即使是对15这样的小整数,这一实验的技术要求也非常之高,科学家要通过一系列粒子之间的相互作用对7个量子位元实现统一的精确控制。考虑到脱散效应,这些量子的状态变化需要大约47×47个实参数来描述。最终实验得到的谱线与预测的相当吻合。这次实验中误差主要来源于脱散效应,研究人员为此建立了一个理论模型。 
   这一利用原子核储存量子信息的方法原则上对大量的量子位元也是可行的,但科学家指出,这一工作的重要性在于它证实了对量子计算机加以精确控制和模拟的理论与实验方法。

用“尘粒”进行计算编辑本段回目录

伊文·万德斯芬(Lieven Vandersypen)在实验室里手舞足蹈,同时嘴里还不停地叫着“向上转,向下转,上上,下下,下上!”

(图)Lieven VandersypenLieven Vandersypen

不必担心,万德斯芬教授并不是远东某个教派的信徒,他只是想借此展现出人类在边缘科学领域的想像力。他的目标是:创造计算机的未来。这位加州圣何塞市IBM Almaden研究中心的科学家,用他略显笨拙的动作为我们演示出量子微粒的回转脉冲。

与晶体管的接通、断开一样,量子微粒向上转或者向下转也可以用来代表0或1。这样,在亚原子级进行运算就成为可能。用量子微粒进行计算被视为21世纪最具前景的未来科技之一,当然它的制造成本也是相当高昂的。

关于未来的计算机,科学家们已经提出了多种设想,量子计算机只是其中之一。根据目前的发展规律可以预见,晶体管电路的微型化很快将达到极至,到2020年左右,电子电路将缩小到原子级大小。

如果想要在计算速度和存储容量方面继续取得进展的话,科学家们就必须在这20年内找到其他行之有效的替代方法。除了量子计算机以外,还有智能尘粒生物芯片聚合材料等许多替代性方案。

(图)Herbert WaltherHerbert Walther

一般来说,生物芯片将主要在医药领域发挥作用,而聚合材料最有可能被用做存储介质或者用于制造超薄的显示器。不过,分子链较长的塑料很少作为原材料用于生产。

迄今为止,美国圣何塞的研究人员和德国巴伐利亚Garching实验室的科学家控制量子的工作最为成功。世界上为数不多的5台量子计算机之一就设在慕尼黑以北的Garching实验室中。赫伯特·沃尔瑟(Herbert Walther)教授和他的同事们利用这台量子计算机对量子光学已进行了多年的研究。他们希望能离解原子并把他们组织起来,成为具有计算功能的系统。

Garching实验室中的这台仪器看起来与我们所熟悉的计算机大不相同:在两张乒乓球案大小的面积上放着无数的导线、集电器、配电盘和转向器。这是因为只有用激光,量子计算机才能运转起来。

该设备的核心部分是一个高20厘米、直径约30厘米的金属圆柱。圆柱内极为紧密地排列着镁原子。所有工作过程的控制以及信号输入输出工作全部由激光来完成。量子物理学家必须用直径30微米(1微米等于10-6米)的激光束击中分布在500微米范围内的每个直径仅为0.1纳米(1纳米等于10-9米)的原子。

电场可控制单一自旋 编辑本段回目录

2007/11/12

(图)Lieven VandersypenLieven Vandersypen

一般认为电子自旋是由磁场来控制,但最近荷兰科学家却证实可以用电场控制单一电子的自旋。这项突破可望应用在自旋电子学(spintronics)与量子计算上。详见Science DOI: 10.1126/science.1148092。

自旋电子组件同时利用电子自旋与电荷的功能,是一个新兴研究领域,目前已经被应用来提高硬盘的数据储存量,未来还可能成为量子计算器的基础,藉由操控单一电子的自旋来完成计算。自旋电子组件的关键就在于翻转一个电子的自旋的能力。

Delft科技大学的Kavli奈米科学研究所的Lieven Vandersypen所领导的团队将金闸极镀在砷化镓基底上,制作出只容许单一电子停留的小区域,即所谓的量子点(quantum dot),以操控电子自旋。虽然已经有研究人员透过外加磁场来翻转局限在量子点中的电子自旋,但是要在芯片上产生一个强到足以翻转自旋的局部磁场并不容易,因此操控单一自旋组成的矩阵是几乎不可能的事。

荷兰团队采用两个相隔0.2 μm的量子点,如果两个量子点中的自旋互相平行,根据包利不兼容原理(Pauli exclusion principle),电子无法从一个量子点跳到另一个量子点。不过外加电场会使电子自旋转动,如果外加场的时间够长,该自旋可以转至与另一个自旋成反平行,则电子可以在量子点间跳跃而产成电流。如果时间更长,该自旋又会回到平行方向。研究人员发现电流随着外加电场时间呈正弦函数变化,此即拉比振荡(Rabi oscillation)。这个发现使他们得以控制自旋的转动。

上述驱动机制利用的是自旋轨道交互作用(spin-orbit interaction);电子因环绕原子核运动而产生一个磁场,并改变自己的磁矩,因此从电子的静止坐标来看,电场的表现就像磁场。根据该团队的计算,在外加电压下,砷化镓的电场与量子点中单一电子自旋的耦合强到足以改变自旋方向。目前该团队正计划制作每个电子自旋都可以控制的量子点数组,利用这些数组形成耦合程度可控制的自旋,产生电子间的纠缠态(entangled state)。

原始网站: http://physicsworld.com/cws/article/news/31720

IBM的量子计算机,证实了超级运算潜力无穷编辑本段回目录

    2000年8月21日讯   近日,世界上最先进的量子计算机在IBM阿蒙德(Almaden)研究中心研制成功。科学家宣称量子计算机能够解决传统计算机难以完成的计算问题。

    Isaac L. Chuang是研究小组领导人,领导着来自IBM研究院、斯坦福大学以及Calgary大学的科学家,他说:“预计2020年将是量子计算机的时代,摩尔定律不再实用,集成电路将由分子和原子直接构成。事实上,构成量子计算机的基本元素就是分子和原子。”

    量子计算机的进步得益于其由原子或原子核构成的物理特性,原子或原子核以量子位(qubits)的形式协同工作,构成了计算机的处理器和内存。在与外部环境

    相隔离的情况下,量子计算机通过量子位之间的相互作用完成计算任务。经理论学家预测,并已被最新研究成果证实:量子计算机执行特定计算任务的能力要比传统计算机高出成指数幂的倍数。

    新型量子计算机包含有5个量子位,它将一个分子内的5个氟原子进行特殊设计,使得氟原子核在旋转时能以量子位的形式相互影响。量子位经过无线电脉冲的编程,能被核磁共振设备所接收,类似于医院或化学实验室里常用的那种核磁共振设备。

    利用微粒子特性,Chueng的研究小组仅用一步计算就完成了传统计算机需经过多次循环才能解决的数学难题。有一个数学难题叫“次序查找”,就是查找特定功能的周期。这是数学难题中的典型,也是构成诸如加密算法等重要应用程序的基础。

    “次序查找”问题又可通过以下方式描述:在一个有许多房间的屋子里,随机放置着相同数量的单向通道,一些通道能够自己构成回路,返回启始点。由此可以判定,在某种情况下,一个人穿过一定数量的房间和通道可以回到启始房间。这个问题是以最少次数的查询模式,计算出一个人返回启始房间前所必须通过的最少通道数。IBM研制出的5量子位计算机能够用一步计算就解决各种问题,而传统计算机要依照不同情况分四步计算得出结果。这项最新成果证实了早些时候由加拿大Calgary大学Richard Cleve教授做出的预测。

    量子计算机的发展前景是美好的,潜力是无穷的,但同时也面临着极大的挑战。IBM的5量子位量子计算机目前只是一个用于研究实验的仪器,将它商业化还需要很长一段时间,因为商用量子计算机至少需要几十个量子位,才能真正解决现实中存在的问题。

    研究小组领导人Chuang说:“这项研究成果给予我们很大信心,使我们懂得量子计算机如何才能融入未来的技术。我们确信,总有一天,量子计算机能够真正实用,解决传统计算机即使花费上百万年也不能解决的难题。”

    Chuang还说:“量子计算机适用的第一批应用程序很可能是具备协同处理能力特殊用途的程序,例如数据库查询以及复杂数学问题的求解等。加速字处理或Web处理将不是量子计算机适用的范畴。

    2000年8月16日,在斯坦福大学召开的Hot Chips 2000的会议上,Chuang向人们展示了这项最新研究成果(这个会议是由美国电气工程师协会(IEEE)计算机分会组织的)。Chuang的合作伙伴有IBM Almaden研究中心的Grgory Breyta和Costantino S. Yannoni,斯坦福大学研究生Lieven M. K. Vandersypen和Matthias Steffen,以及Calgary大学的计算机理论学家Richard Cleve。研究小组还就试验成果向著名刊物“科学”杂志和“物理展望”杂志提交了一份技术报告。

    背景资料:

    当量子计算机理论在七、八十年代被第一次提出时(其理论学家有加里福尼亚技术研究院的Richard Feynmann,Argonne国家实验室的Paul Benioff,牛津大学的David Deutsch,以及IBM 华盛顿研究中心的Charles Bennett),许多科学家对能否真正制造出这样的机器持怀疑态度。但到了1994年,AT&T研究院的Peter Shor提出了一种能比传统计算机运算速度快上指数幂倍数的量子算法,这个算法强大到足以解开著名的公开秘钥加密算法中的私用秘钥。Shor的算法为量子计算机的发展开辟了道路。从此,世界众多研究小组加入该研究行列,在量子计算机研究领域取得的重大进步络绎不绝。

    Chuang是世界上最优秀的量子计算机实验专家之一。他还领导着世界上第一个2量子位计算机(1998年在加州大学Berkeley分校)以及3量子位计算机(1999年在IBM的Almaden研究中心)的研究工作。今天发布的次序查找问题是量子计算机至今为止所演示的最复杂的算法。

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标签: 伊文·万德斯芬 Lieven Vandersypen

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