Ion-Trap-Based Quantum Computers: From Benchmarking to Outperforming Classical Digital Computers

基于离子阱的量子计算机:从基准测试到超越经典数字计算机

基本信息

  • 批准号:
    1620555
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 26.97万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-09-15 至 2020-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Our use of of quantum physics began around the turn of the 20th century, when scientists started exploring the ultrasmall world of atoms and electrons. While much of the theoretical basis for quantum mechanics was worked out in the 1920's, we still do not employ significant technologies that take into account the bizarre behaviors that are possible due to the quantum world (like teleportation or quantum interference). Recently, there has been significant advance in a new paradigm for computing, called quantum computing. With its operation based on the quantum-mechanical effects between its constituents, it can usher in a new realm of computation--where a small quantum computer can hold more memory than that of every conventional computer ever built (or to be built), or it can rapidly solve hard problems like finding the prime factors of large numbers and thereby breaking our current standards for encryption. While we don't yet have the "Microsoft quantum surface" devices available in stores, research labs have produced so-called quantum simulators, which emulate the behavior of coupled quantum systems and allow their properties to be read off at the end of the computation. This research project will work on finding ways to verify the correctness of these quantum computers when they surpass the abilities of conventional computers. This is done by finding special cases, where conventional computers can predict the results, and determining how to run the quantum computers for those special cases. In addition to the research work proposed, this project has a significant outreach component, where the group will be launching a Massive Open Online Course (MOOC) entitled "Quantum mechanics for everyone" on EdX in the fall of 2016, which will teach quantum mechanics principles with minimal math (no more complicated than taking square roots) and with a series of interactive computer demonstrations, tutorials, and illustrations.Three main themes will be pursued in this work: (1) Examining effects of the lattice vibrations on the performance of ion-trap-based quantum simulators by looking at both spin squeezing effects (where the Heisenberg uncertainty principal can be partially beaten) and on computation in the long-range interacting limit; (2) Determining techniques to speed up quantum computation from clock frequencies in the 10s of KHz to clock frequencies that can be pushed in the MHz range or further; and (3) Discovering whether macroscopic quantum tunneling effects, or fragile quantum states (like the so-called NOON states) can be formed and employed in these quantum simulators. The type of quantum simulator we work with is one that is built out of trapped ions that are driven by lasers that apply spin-dependent forces on the ions (where the spin degree of freedom is often a hyperfine state of the ion). The lasers push the ions according to their internal quantum states, while the coupling to the lattice vibrations drives a subsequent coupling between those internal states. By properly engineering these couplings, one creates a quantum computer/simulator. This theoretical work will pair closely with experimental work at NIST Boulder (Penning trap), Maryland (linear Paul trap), and UCLA (planar Paul trap).
我们对量子物理学的使用始于20世纪初,当时科学家们开始探索原子和电子的超小世界。虽然量子力学的大部分理论基础是在20世纪20年代制定的,但我们仍然没有采用重要的技术来考虑量子世界可能产生的奇怪行为(如隐形传态或量子干涉)。最近,一种称为量子计算的新计算范式取得了重大进展。量子计算机的运行基于其组成部分之间的量子力学效应,它可以引领一个新的计算领域——一台小型量子计算机可以比任何一台已经建成(或即将建成)的传统计算机拥有更多的内存,或者它可以快速解决难题,比如找到大数的质因数,从而打破我们目前的加密标准。虽然我们还没有在商店里买到“微软量子表面”设备,但研究实验室已经生产出了所谓的量子模拟器,它可以模拟耦合量子系统的行为,并允许在计算结束时读取它们的属性。这个研究项目将致力于寻找方法来验证这些量子计算机在超越传统计算机的能力时的正确性。这是通过寻找特殊情况来实现的,在这些特殊情况下,传统计算机可以预测结果,并确定如何针对这些特殊情况运行量子计算机。除了提出的研究工作,该项目还有一个重要的扩展组成部分,该小组将于2016年秋季在EdX上推出一门名为“人人适用的量子力学”的大规模开放在线课程(MOOC),该课程将以最小的数学(不比求平方根更复杂)和一系列交互式计算机演示、教程和插图来教授量子力学原理。本工作将研究三个主要主题:(1)通过观察自旋压缩效应(海森堡不确定性原理可以部分被打破)和远程相互作用极限下的计算来检查晶格振动对基于离子阱的量子模拟器性能的影响;(2)确定加速量子计算的技术,从时钟频率在10khz到时钟频率可以推到兆赫范围或更远;(3)发现在这些量子模拟器中是否可以形成宏观量子隧道效应,或者脆弱的量子态(如所谓的NOON态)。我们使用的量子模拟器的类型是由被捕获的离子构建而成的,这些离子由激光驱动,激光对离子施加自旋相关的力(其中自旋自由度通常是离子的超精细状态)。激光根据离子的内部量子态推动离子,而与晶格振动的耦合驱动了这些内部状态之间的后续耦合。通过适当地设计这些耦合,可以创建量子计算机/模拟器。这项理论工作将与NIST博尔德(Penning陷阱)、马里兰州(线性保罗陷阱)和加州大学洛杉矶分校(平面保罗陷阱)的实验工作密切配合。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Incorporating the Stern-Gerlach delayed-choice quantum eraser into the undergraduate quantum mechanics curriculum
将斯特恩-格拉赫延迟选择量子橡皮擦纳入本科量子力学课程
  • DOI:
    10.1119/10.0000519
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0.9
  • 作者:
    Courtney, William F.;Vieira, Lucas B.;Julienne, Paul S.;Freericks, James K.
  • 通讯作者:
    Freericks, James K.
Spin and pseudospin towers of the Hubbard model on a bipartite lattice
二分晶格上哈伯德模型的自旋塔和赝自旋塔
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James Freericks其他文献

Time-resolved photoemission of correlated electrons driven out of equilibrium
失去平衡的相关电子的时间分辨光发射
  • DOI:
    10.1103/physrevb.81.165112
  • 发表时间:
    2009
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Brian Moritz;Brian Moritz;T. Devereaux;T. Devereaux;James Freericks
  • 通讯作者:
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强相关非均匀多层纳米结构的动态平均场理论
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2004
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    James Freericks
  • 通讯作者:
    James Freericks
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简单电荷密度波绝缘体布洛赫振荡的精确解
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.7
  • 作者:
    Wen Shen;T. Devereaux;James Freericks
  • 通讯作者:
    James Freericks
Efficiently Generalizing Ultra-Cold Atomic Simulations via Inhomogeneous Dynamical Mean-Field Theory from Two- to Three-Dimensions
通过二维到三维的非齐次动态平均场理论有效推广超冷原子模拟
Segregation and charge-density-wave order in the spinless Falicov-Kimball model
无旋转 Falicov-Kimball 模型中的偏析和电荷密度波序
  • DOI:
  • 发表时间:
    1999
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    James Freericks;R. Lemański
  • 通讯作者:
    R. Lemański

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  • 发表时间:
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    $ 26.97万
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    2009
  • 资助金额:
    $ 26.97万
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    Standard Grant
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    0705266
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    2007
  • 资助金额:
    $ 26.97万
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    Continuing Grant
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NIRT:纳米级自旋电子和热电器件的计算设计和优化
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  • 资助金额:
    $ 26.97万
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Combining ab initio Methods and many-Body Theory to Describe the Electron-Phonon Interaction in Real Materials
结合从头计算方法和多体理论来描述实际材料中的电子-声子相互作用
  • 批准号:
    9973225
  • 财政年份:
    1999
  • 资助金额:
    $ 26.97万
  • 项目类别:
    Continuing Grant

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TRAP1-MARCH5竞争性调控MIC60泛素化降解在糖脂毒性介导心肌细胞线粒体损伤中的机制研究
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相似海外基金

SBIR Phase I: Low cost, portable mass spectrometers based on a chip-scale ion trap mass analyzer
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    2213033
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    NE/V019333/1
  • 财政年份:
    2021
  • 资助金额:
    $ 26.97万
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  • 批准号:
    19H00758
  • 财政年份:
    2019
  • 资助金额:
    $ 26.97万
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    Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
High-speed feedback trap based on optical tweezers
基于光镊的高速反馈陷阱
  • 批准号:
    RTI-2019-00029
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 26.97万
  • 项目类别:
    Research Tools and Instruments
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图像序列:用于单细胞转录组分析的高密度微流体陷阱阵列以及基于图像的表型分析
  • 批准号:
    9789363
  • 财政年份:
    2018
  • 资助金额:
    $ 26.97万
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Detection and characterization of single-electron-trap in a semiconductor based on a metal-tip-induced current noise mechanism
基于金属尖端感应电流噪声机制的半导体中单电子陷阱的检测和表征
  • 批准号:
    16K14240
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 26.97万
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
Thermionic Solar Cell Based on Heat Trap in Carbon Nanotubes
基于碳纳米管热阱的热离子太阳能电池
  • 批准号:
    460478-2014
  • 财政年份:
    2016
  • 资助金额:
    $ 26.97万
  • 项目类别:
    Postgraduate Scholarships - Doctoral
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