用上量子處理器仍需10年

曉劉

2012年度美國科學促進會（AAAS）年會在加拿大溫哥華隆重召開期間，科學家們宣讀了一系列與量子計算有關(guān)的新研究結(jié)論。英國《經(jīng)濟學人》雜志網(wǎng)站對此進行了報道，并表示，量子計算領(lǐng)域盡管已經(jīng)取得了一定的成就，但量子計算要想真正進入實用階段，還有很長的路要走

量子計算機的秘密武器：疊加和糾纏

一方面，量子效應對現(xiàn)代電子學來說非常重要，它能使晶體管變得非常小；但另一方面，量子效應也是一個惹人討厭的“調(diào)皮鬼”，由于電子的位置并非確定不變，它能讓晶體管內(nèi)的電子簡單地從一個地方消失并在另外一個地方再次出現(xiàn)，這樣會使得電流泄漏出來，導致信號衰減。

不過，有些科學家卻從中看到了機會。他們認為，量子尺度上發(fā)生的一些詭異事件可以被利用起來，讓人們能以一種全新且更快的方式進行計算并發(fā)送信息，至少從理論上而言，這些信息不可能被攔截。幾個對此感興趣的科研團體希望建造出量子計算機，以解決目前的計算機無法解決的問題，諸如找出幾百位數(shù)的質(zhì)因子或?qū)⒋蟮臄?shù)據(jù)庫一網(wǎng)打盡等等。這些研究計劃和成果都在AAAS的年度大會上得到了展示。

這些科學家們努力的核心是量子疊加和量子糾纏這兩種量子力學現(xiàn)象。普通的數(shù)字計算機以位的形式操縱信息，位的值要么是1，要么是0。在計算機內(nèi)，不同的電流電壓分別表示1和0，這與電子的電荷有關(guān)。電荷是所有電子的固定特征，每個電子的電荷數(shù)目是一樣的。但是，電子也擁有其他特征，比如自旋，自旋的方向可以表示為“向上”、“向下”或者模糊不清的“既向上又向下”。這種既向上又向下的狀態(tài)就被稱為疊加，疊加能被用來構(gòu)建量子力學中的位——量子位（量子比特）。

與此同時，糾纏使粒子捆綁在一起以增加更多量子位。在量子機器中，每增加一個量子位會讓它能同時進行的操作翻番，這就是量子計算機之所以擁有強大計算能力的“秘訣”。比如，2個相互糾纏的量子位可以進行4個操作；3個量子位可以進行8個操作，等等，依此類推。那么，一個擁有300個量子位的計算機能同時執(zhí)行的操作數(shù)就比可見宇宙中的原子數(shù)還多。

疊加和糾纏并不穩(wěn)定

然而，不幸的是，這樣的機器對我們來說仍是“羚羊掛角，無跡可尋”。糾纏和疊加都是非常精細的活，即使最輕微的擾動都會導致“量子位”失去這種相干性，讓它們的神奇屬性消失殆盡。為了建造出一臺能工作的量子計算機，量子位將不得不變得更加靈活，更容易恢復相干性，但迄今為止這方面的進步一直不大。

1995年，科學家們首次在實驗室內(nèi)實現(xiàn)了量子計算，從那時起，有科研團隊已經(jīng)設法讓14個量子位發(fā)生了糾纏。這項紀錄的保持者是來自德國因斯布魯克的一個科研團隊，他們使用了一個名為離子陷阱的設備，并讓以處于不同能量狀態(tài)的銣原子的疊加形式而存在的量子位在其間發(fā)生了糾纏。而加拿大滑鐵盧大學的雷蒙德?拉弗莫和同事則設法使用同樣的技巧讓12個量子位發(fā)生了糾纏，讓特定的原子在名為組氨酸的氨基酸單分子內(nèi)發(fā)生了糾纏，組氨酸的特征使它非常適合這樣的實驗。這些方法存在的問題是，它們并不容易進行升級和擴展。離子陷阱位于大的真空室內(nèi)，不能輕易地收縮。另外，一個組氨酸分子包含的適合原子數(shù)量也有限，因此，科學家們一直在搜尋更實用的量子位。

各出奇招制造穩(wěn)定的量子位

一種有潛力解決這一問題的方法是在半導體內(nèi)蝕刻量子位。哥本哈根大學的查爾斯?馬庫斯教授一直試圖使用電子自旋做到這一點。單電子制造的量子位很快會失去相干性，因此，他的研究團隊決定使用兩個電子制造出一個量子位，他們將其稱為“量子點”，這是一塊細小的半導體晶體（馬庫斯使用的半導體是砷化鎵）。當兩個這樣的量子點相互靠近時，能讓一個電子陷入一個量子點內(nèi)以彈出并同另一個量子點內(nèi)相鄰的電子相結(jié)合，兩個電子自旋的這種疊加就產(chǎn)生了量子位。

迄今為止，馬庫斯團隊已設法讓4個這樣的量子位結(jié)合在一起，而且，使用了一套靈敏的技巧將其壽命延伸至10微秒，這一時間足以用來執(zhí)行簡單的代數(shù)操作，代數(shù)操作是計算的命脈。

另外，美國加州大學圣巴巴拉分校的約翰?馬提尼斯和同事試圖從超導電路打造出量子位。在超導體內(nèi)，電子并不會單獨旅行，相反，因為復雜的量子力學原因，它們會成雙成對地出現(xiàn)（也因為同樣的原因，這對電子之間不會有電阻）。當它們成雙成對旅行時，這對電子的行為就像單個粒子一樣，這就出現(xiàn)了疊加傾向。例如，這個“超粒子”實際上一次能朝兩個方向移動，當這對電子移動時，它們就制造出了一個磁場。接著，制造一個超導閉環(huán)，科學家們就得到了一個能同時朝上和朝下的磁場，馬提尼斯團隊現(xiàn)在已設法讓5個這樣的超導量子位發(fā)生了糾纏。

前路漫漫 任重而道遠

所有上述方法面臨的問題是，他們賴以依靠的量子狀態(tài)非常脆弱，很容易出現(xiàn)錯誤。一種確保他們能用量子位進行計算的方法是用幾個量子位而非僅用一個量子位來對同樣的信息進行編碼。因此，馬庫斯、馬提尼斯以及拉夫莫不得不在他們的系統(tǒng)中建立一些多余的量子位。這樣，對于每個計算所需要的每一個“邏輯”量子位來說，都存在著幾個其他的物理量子位，所有這些量子位都需要被糾纏在一起。微軟公司的米歇爾?弗里德曼正試圖另辟蹊徑來解決這一問題，他和同事正在建造他們稱為拓撲量子計算機的機器，這臺機器在一層名為銻化銦的奇異材料上方使用了一個超導體。當朝這套系統(tǒng)施加電壓時，整個系統(tǒng)就變成了一個能以疊加狀態(tài)而存在的量子系統(tǒng)。

所有這些研究都是非?；A的研究。制造出一臺量子計算機的主機對于研究人員來說還有很長的路要走，更不用說研發(fā)出量子計算機的臺式機了。馬提尼斯認為，研制出一臺可用的量子處理器仍然需要10年。不過，他表示，上述研究表明科學家們或多或少在不斷取得進步。當他20年前進入該領(lǐng)域時，他認為，建造出一臺量子計算機幾乎是一個不可能完成的任務，而現(xiàn)在，他說：“這是一項非常困難的工作。”