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      量子计算技术的现状与前景
    时间:2016-12-05 14:23来源:未知 作者:admin 点击:
  •   对量子计算最大的赌注恐怕来自英特尔:2015 年,它宣布将向荷兰代尔夫特理工大学的量子技术研究项目 QuTech 投资 5000 万美元。英特尔专注于硅量子点技术(silicon quantum dots),它经常被称作“人造原子”。一个量子点量子比特是一块极小的材料,像原子一样,它身上电子的量子态可以用 0 或 1 来表示。不同于离子或原子,量子点不需要激光来困住它。
     
      早期的电子点用几近完美的砷化镓晶体制作,但研究人员们更倾向于硅,希望能利用半导体产业的巨大产能。QuTech 技术负责人 Leo Kouwenhoven 说:“我认为英特尔属意于硅,毕竟那是他们最擅长的材料。” 但是基于硅的量子比特研究,大大落后于囚禁离子和超导量子技术。去年,澳大利亚新南威尔士大学的一只研究团队才完成两个量子比特的逻辑门。
     
      微软和拓扑量子
     
      而微软的选择甚至更遥远:基于非阿贝尔任意子(nonabelian anyons)的拓扑量子比特( topological qubits)。这些根本就不是物体,他们是沿着不同物质边缘游动的准粒子(quasiparticles)。他们的量子态由不同交叉路线(braiding Paths)来表现。因为交叉路线的形状导致了量子叠加,他们会受到拓扑保护(topologically protected)而不至于崩溃,这类似于打结的鞋带不会散开。
     
      这意味着,理论上拓扑量子计算机不需要在错误修正上花费那么多量子比特。早在 2005 年,微软带领的一支研究团队,就提出了一种在半导体-超导体混合结构中建造拓扑保护量子比特的方法。微软已经投资了数个团队进行尝试。他们近期的论文,还有贝尔实验室的一项独立研究都展示了,关键的任意子以电路中电流的模式进行移动的”征兆“。这些科学家已经很接近展示真正的量子比特了。Preskill 说:“我认为在一两年内,我们就可以看到结果––拓扑量子比特确实存在。“
     
      谷歌的超导量子研究
     
      谷歌这边,他们雇佣了加州大学圣芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的超导量子比特专家 John Martinis 。他研究过 D-Wave 的运行方式和缺陷。在 2014 年,谷歌把整个加州大学圣芭芭拉分校研究团队的全部十几个人,都给招募了。这之后,John Martinis 团队宣布,他们已经建成了 9 量子比特的机器,是目前世界上可编程的量子计算机中最大的之一,而且他们正在尝试扩大规模。为了避免大堆缠绕的电线,他们正在 2D 平面结构上重建该系统。系统会铺设在一块晶圆上,所有控制电路都蚀刻在上面。
     
      John Martinis 团队如今已有 30 名科学家和工程师。七月,他们用了三个超导量子比特来模拟氢分子的基态(ground state)能量,这展示了在模拟简单的量子系统上,量子计算机可以做到和传统计算机一样好。Martinis 表示,这个结果预示了拥有”量子霸权“的计算设备的力量。他还认为,谷歌一年造出 49 量子比特计算机的计划很赶时间,但或许有可能实现。
     
      ionQ和囚禁离子
     
      与此同时,ionQ 的 Chris Monroe 正在试图克服囚禁离子带来的各项挑战。作为量子比特,它们可以在几秒钟内维持稳态,这还多亏了真空装置和在环境噪音影响下仍能将其稳定的电极。但是,这些隔离措施意味着,量子比特之间的交互变得更难。Monroe 最近把 22 个镱离子纠缠成一条线形链(linear chain),但至今,他还未能控制或查询所有的离子对,而这是量子计算机必须做到的。
     
      控制组合体的难度,会随离子数目的增加指数级得升高。所以,加入更多离子是做不到的。 Monroe 认为,解决办法在于使用模组化的设计,用光导纤维把囚禁离子群连接起来,每个囚禁离子群约有 20 个离子。若用该方案,每个模组中的某特定量子比特都会成为该离子群的中心,从群中其他量子比特那接受信息,并与其他模组分享。这样,大多数离子会免于外部侵扰。
     
      最近,Monroe 逛了逛他在马里兰大学的六个实验室。在三个较老的实验室里,电线和真空管路一团团的垂下来。在一张特大桌子上,透镜和镜子乱成一堆,使用它们是为了改变激光光束的形状,并把光束反射入真空室设备的小孔里,那里面就是实验离子。头顶上的 HVAC设备们(加热设备,通风设备,空调)嗡嗡作响。
     
      另外三个新实验室就十分干净整洁,甚至空空荡荡显得有些古怪。Rube Goldberg 式的光学实验桌被整合激光装置取而代之。Monroe 说:”我们现在用的激光设备只有一个激光球,并且已经开启。”他焦急得想把 ionQ 的实验室赶快运作起来,让高薪聘来的研究人员们正式成为 ionQ 的雇员,以尽快投入到工作中,把他们在马里兰大学做的研究完善起来。多亏了和马里兰大学不同寻常的协议, ionQ 得到独家、免费的专利授权。下一年,他会把他的第一个sabbatical 假期用来建立 ionQ。他表示,私营企业对他们量子计算研究的资助,是他事业中最大的一笔钱。
     
      量子计算展望
     
      即便有巨额投资,量子计算在很长时间内,只会是各公司实验室里的商业秘密。有些大的研究机构,甚至是那些科技巨头的下属部门,倒愿意把研究成果在论文和会议上公布出来。他们认为发表最新进展是互利的。其中一个原因是,促使潜在客户思考量子计算机的应用前景。Monroe 解释说:“我们都需要一个市场。”与其遮遮掩掩,不如一起把量子计算这块蛋糕做大。
     
      还有一个很重要的原因:没有人对量子计算足够了解,但每个团队都选了一个量子比特类型做研究(没有精力研究多个)。谁知道他们选择的类型有没有前途呢?每种方案都需要不断地优化,扩大规模,最终才能应用于制造量子计算机。无论是制造基于超导体,还是硅的量子比特,都需要极高的连贯性和一致性。对它们冷却的冷冻装置也需要改善。囚禁离子需要更快的逻辑门,更紧凑的激光和光纤。拓扑量子比特仍需要被发明出来。简而言之,要面对的挑战太多,团队之间需要一定程度的相互合作、信息共享,才能加快进度。
     
      未来的量子计算机很可能是一个混合体,由超快的超导体量子比特对算法进行运算,然后把结果扔给更稳定的离子存储。与此同时,光子在机器的不同部件之间传递信息,或者在量子网络的节点之间。微软研究员 Krysta Svore 说:“能够想象,将来不同类型的量子比特会同时存在,并在不同任务中扮演不同的角色。”
     
      量子计算机是那么新奇古怪,甚至世界的顶级量子物理学家和计算机工程师都不清楚,商业化运营的量子计算机会是什么样儿。Svore 认为,研究量子计算机应当在行动中摸索。物理学家们只需要试着去造,现有的科技所能达到的最高深的计算机系统,然后面对这过程中出现的难题。 这是一个“制造,学习,重复”的过程。他说:“我们特别喜欢设想,造出了第一台量子计算机之后,就用它设计第二台量子计算机。”
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