走進(jìn)大眾視野的量子計算機

　　量子計算機的發(fā)展方向如今尚不明確，但是對于國家政府和很多公司而言，量子計算的研究方向并不是量子優(yōu)勢、量子至上或者量子計算機在完成特定任務(wù)的過(guò)程中可以勝過(guò)傳統計算機的優(yōu)點(diǎn)。

　　全球都在為了量子計算機而競爭。最新數據顯示，位于加州的Rigetti正處于這場(chǎng)比賽的領(lǐng)先位置，它的目標是在一年內造出一臺128比特的計算機。

　　量子比特比傳統計算機的比特要厲害得多。傳統計算機的比特不是“0”，就是“1”。但是量子比特不同，它利用電子自旋的優(yōu)勢，可以同時(shí)為“0”和“1”。量子計算機的一個(gè)特點(diǎn)是它能夠有效地通過(guò)各種不同的結果來(lái)檢測系統故障。這些系統故障包括從加密破壞和路徑故障到神經(jīng)形態(tài)計算和分子建模的所有問(wèn)題。根據《科學(xué)》最近發(fā)表的一篇文章表明，有些行業(yè)有可能將實(shí)現指數級加速。

　　但現在說(shuō)這個(gè)還太早。即使是研究量子信息理論的領(lǐng)先企業(yè)IBM，也似乎已經(jīng)厭倦了這種炒作。當然，IBM也希望可以將量子計算機技術(shù)商業(yè)化。和Rigetti和D-Wave一樣，IBM最近向全球初創(chuàng )公司開(kāi)放了自己的云端資源。

　　英特爾專(zhuān)門(mén)研究量子計算技術(shù)總監吉姆克拉克(Jim Clarke)表示，想要創(chuàng )造出真正的量子計算機仍然需要克服重重障礙。他說(shuō)：“要想量子計算機大眾化，我們需要克服在科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域的各種問(wèn)題?！?/p>

　　英特爾認為自己已經(jīng)找到了解決方案。它最近發(fā)布了一種量子芯片。這種量子芯片的體積非常小，即便將它放在橡皮擦上也不會(huì )掉下來(lái)。該芯片由大量量子比特組成，每個(gè)量子比特比一根頭發(fā)還小一千倍。在典型的超導量子計算機中，量子比特存在于被冷卻到超低溫的超導線(xiàn)路中。英特爾的無(wú)晶體芯片依賴(lài)于易于控制和獲取的傳統組件——硅片。一些研究人員表示，刺激行業(yè)發(fā)展的傳統硅片將成為量子計算機發(fā)展下一階段的關(guān)鍵。

　　“我十分看好英特爾spin qubits芯片的發(fā)展前景?！逼樟炙诡D大學(xué)物理學(xué)教授杰森佩塔(Jason Petta)說(shuō)。他最近有一篇論文發(fā)表在《自然》雜志上，該論文描述了他的團隊如何成功通過(guò)量子計算芯片傳遞有關(guān)電子自旋的信息。

　　Petta的團隊向人們展示了如何利用光有效地處理數據。利用微波場(chǎng)，他們能夠在原子(電子)和光(微波頻率照片)之間交換一定量的能量。結果是一個(gè)簡(jiǎn)單又可程控的系統：?jiǎn)蝹€(gè)電子的量子控制有可能將信息發(fā)送到一厘米之外的另一個(gè)量子位。

　　那么硅會(huì )在哪里發(fā)揮作用呢?當基于硅自旋的量子處理器工作時(shí)，兩個(gè)粒子即電子和光子需要結合。但除非電子被隔離，否則這種情況不會(huì )發(fā)生。因此，研究人員建立了一個(gè)稱(chēng)為雙量子點(diǎn)的陷阱指令：它是一個(gè)微小的硅腔，可以將電子保持在一個(gè)位置足夠長(cháng)的時(shí)間，使其電荷自旋結合。

　　在此過(guò)程中，硅是關(guān)鍵。它具有容納特殊電子自旋軌道相互作用的獨特能力，只需使用電力就可以運行。這些相互作用在硅中持續的時(shí)間通常比在其他材料中持續的時(shí)間更長(cháng)，但是也可能難以控制。

　　為了解決干擾問(wèn)題，包括來(lái)自設備本身的核，Petta和他的團隊采取了一系列雙量子點(diǎn)。雙量子點(diǎn)效果比單量子點(diǎn)效果好，因為電子能夠來(lái)回轉換它們的自旋狀態(tài)，使得精心設計的信息交換過(guò)程能夠順利進(jìn)行。

　　Petta說(shuō)，新的研究表明硅量子芯片有可能實(shí)現量產(chǎn)。相關(guān)量子計算研究人員也可能因此獲利。

　　“作為計算機的基本量子電路，單量子比特與超導量子比特不相上下，也是我們固態(tài)芯片領(lǐng)域最直接的競爭對手?！盤(pán)etta說(shuō)。

　　硅量子比特大約比超導量子比特小一百萬(wàn)倍，這使工程師們能夠將更多量子比特集合到單個(gè)芯片上?？死?Clarke)說(shuō)，這種規模優(yōu)勢有助于擴大量子計算機的規模和路徑。

　　克拉克(Clarke)說(shuō)：“這將比使用超導量子比特更容易，雖然還有待證實(shí)?！?/p>

　　他補充道，相對于超導量子比特，硅量子比特運行環(huán)境的溫度要稍微高一點(diǎn)?！斑@意味著(zhù)你需要將集成電路放在更接近量子位平面的位置。如此一來(lái)，控制電子設備的空間將會(huì )更加緊密?！彼f(shuō)道。除了有助于設備更快地運行以外，硅片還可以促進(jìn)那些需要獨立空間的設備小型化。

　　Petta的論文描述的設備只有兩個(gè)量子比特。Petta表示要增加量子比特的規模將需要很長(cháng)的時(shí)間。他的實(shí)驗室現在正在研究的是具有四個(gè)量子比特的設備。

　　“我們計劃未來(lái)可以研究具有九個(gè)量子比特的設備，這將耗費我們好幾年的時(shí)間。而且超過(guò)數十個(gè)量子比特的規模需要更大量的工程研究?！彼f(shuō)。

　　英特爾正在與另一個(gè)開(kāi)展硅量子計算研究的團隊合作，即荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Vandersypen實(shí)驗室。英特爾承諾在10年內對該研究項目投入5000萬(wàn)美元。該公司在位于俄勒岡州的公司總部附近制造芯片，并將芯片運往代爾夫特，以進(jìn)行量子研究。

　　該實(shí)驗室最近在《Nature》上發(fā)表的一篇論文描述了如何利用硅創(chuàng )造出能夠處理量子算法的處理器。他們創(chuàng )建了一個(gè)由雙量子點(diǎn)組成的可編程計算機，即在基于硅的設備中的雙量子比特處理器。他們執行的一種算法，被稱(chēng)為Grover搜索算法，以其能夠比傳統計算機更快地在數據庫中挖掘信息而聞名。

　　盡管如此，這些實(shí)驗過(guò)程無(wú)法等同于基于硅的量子計算機在工廠(chǎng)車(chē)間大量生產(chǎn)的過(guò)程?！霸诤艽蟪潭壬?，他們不需要與設計整體順序計算法的人合作?！盋larke分別舉了Petta和Vandersypen描述過(guò)的雙量子比特設備的典型例子。

　　擴大量子比特的規模

　　未來(lái)的量子計算機將不僅僅是一個(gè)量子處理器，就像現在的計算機不僅僅是一個(gè)微處理器一樣。大規模生產(chǎn)依賴(lài)于許多移動(dòng)部件，從控制電子設備到算法架構。

　　重大的技術(shù)問(wèn)題仍未解決。這些問(wèn)題如此復雜，以至于總是無(wú)法完全解決。比如，你能使兩個(gè)量子比特在保持足夠高且必要的保真度的同時(shí)進(jìn)行交互作用嗎?就算你能夠讓這兩個(gè)量子比特相互作用，那么如果是四個(gè)量子比特呢?或者更多呢?

　　“每個(gè)量子比特都有自己的特點(diǎn)?！笨死?Clarke)說(shuō)。即使是具有90%保真度的量子設備也不能夠進(jìn)行大規模生產(chǎn)。然而，研究人員還在堅持解決這個(gè)問(wèn)題。今年，有個(gè)團隊利用天然硅達到了超過(guò)60%的保真度，還有一個(gè)團隊最近利用同位素富集硅將雙量子比特的保真度提高到將近95%。

　　“顯然，要實(shí)現99%以上的保真度還需要耗費大量的時(shí)間和精力，但其增長(cháng)趨勢還是非?？捎^(guān)?！盤(pán)etta說(shuō)?！拔覀兒芮宄男﹩?wèn)題需要我們時(shí)刻注意，才能提高雙量子比特的保真度?！?/p>

　　另一個(gè)限制是控制電子設備的速度問(wèn)題：它們對于自旋量子比特來(lái)說(shuō)還不夠快。

　　“這些量子比特不會(huì )長(cháng)時(shí)間存在，”克拉克(Clarke)說(shuō)。它們持續存在的時(shí)間太短，無(wú)法在大規模的系統中工作。盡管相關(guān)研究人員已經(jīng)提出了可以對生命支持進(jìn)行量子比擬的算法，即延長(cháng)其壽命，但這尚未得到證實(shí)是否真的有效果。

　　Petta強調，還有一個(gè)關(guān)鍵的限制是原材料。就化學(xué)純度和同位素富集而言，自旋量子需要純度非常高的硅。

　　“到目前為止，美國尚未表示支持采集自旋量子比特相關(guān)材料的重大項目。我想不久之后就可以看到美國為了自旋量子比特所需的材料做出努力?！彼f(shuō)。

　　美國華盛頓一直對量子計算機技術(shù)很感興趣。美國能源部最近宣布，它將為全國85個(gè)量子研究項目投入2.18億美元。同時(shí)美國國家科學(xué)基金會(huì )將撥款3100萬(wàn)美元用于量子研究。Petta對自旋量子比特的研究也得到了美國國防部的資助，因為美國急于在這場(chǎng)量子計算機競賽中擊敗中國這個(gè)強勁對手。

　　通過(guò)國會(huì )的議案也可以帶來(lái)更多資金。眾議院已經(jīng)批準了《國家量子倡議法》。如果該法案通過(guò)了參議院批準，該法案將提供13億美元，以支持未來(lái)10年對量子計算機的研究。

　　與此同時(shí)，Rigetti也表示向能夠在其128比特的系統上構建應用程序的團隊提供100萬(wàn)美元的獎金，因為這充分展示真正的量子優(yōu)勢。一般來(lái)說(shuō)，人們認為量子計算機需要使用至少50個(gè)量子比特，才能真正超越傳統計算機。

　　不過(guò)，估算是一個(gè)不容小覷的問(wèn)題?？死?Clarke)表示，為特定計算任務(wù)實(shí)現量子優(yōu)勢所需的量子比特數量很大程度上取決于任務(wù)本身。在英特爾，他曾使用蛋白質(zhì)折疊作為內部倡導量子計算的示例目標，但相信使用其他材料完成任務(wù)將需要更長(cháng)的時(shí)間。

　　“我認為密碼學(xué)非常復雜，因此第一代或第二代量子計算機對我們的生活可能不會(huì )產(chǎn)生太大的影響，”他說(shuō)?！叭绻沽孔佑嬎銠C真正改變我們的生活，這將需要一百萬(wàn)個(gè)量子比特。我們還有很長(cháng)的路要走?！?/p>