用上量子處理器仍需10年

曉劉

2012年度美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（AAAS）年會(huì)在加拿大溫哥華隆重召開(kāi)期間，科學(xué)家們宣讀了一系列與量子計(jì)算有關(guān)的新研究結(jié)論。英國(guó)《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》雜志網(wǎng)站對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道，并表示，量子計(jì)算領(lǐng)域盡管已經(jīng)取得了一定的成就，但量子計(jì)算要想真正進(jìn)入實(shí)用階段，還有很長(zhǎng)的路要走

量子計(jì)算機(jī)的秘密武器：疊加和糾纏

一方面，量子效應(yīng)對(duì)現(xiàn)代電子學(xué)來(lái)說(shuō)非常重要，它能使晶體管變得非常小；但另一方面，量子效應(yīng)也是一個(gè)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(jiǎn)單地從一個(gè)地方消失并在另外一個(gè)地方再次出現(xiàn)，這樣會(huì)使得電流泄漏出來(lái)，導(dǎo)致信號(hào)衰減。

不過(guò)，有些科學(xué)家卻從中看到了機(jī)會(huì)。他們認(rèn)為，量子尺度上發(fā)生的一些詭異事件可以被利用起來(lái)，讓人們能以一種全新且更快的方式進(jìn)行計(jì)算并發(fā)送信息，至少?gòu)睦碚撋隙裕@些信息不可能被攔截。幾個(gè)對(duì)此感興趣的科研團(tuán)體希望建造出量子計(jì)算機(jī)，以解決目前的計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題，諸如找出幾百位數(shù)的質(zhì)因子或?qū)⒋蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)一網(wǎng)打盡等等。這些研究計(jì)劃和成果都在AAAS的年度大會(huì)上得到了展示。

這些科學(xué)家們努力的核心是量子疊加和量子糾纏這兩種量子力學(xué)現(xiàn)象。普通的數(shù)字計(jì)算機(jī)以位的形式操縱信息，位的值要么是1，要么是0。在計(jì)算機(jī)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(gè)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(lái)構(gòu)建量子力學(xué)中的位——量子位（量子比特）。

與此同時(shí)，糾纏使粒子捆綁在一起以增加更多量子位。在量子機(jī)器中，每增加一個(gè)量子位會(huì)讓它能同時(shí)進(jìn)行的操作翻番，這就是量子計(jì)算機(jī)之所以擁有強(qiáng)大計(jì)算能力的“秘訣”。比如，2個(gè)相互糾纏的量子位可以進(jìn)行4個(gè)操作；3個(gè)量子位可以進(jìn)行8個(gè)操作，等等，依此類推。那么，一個(gè)擁有300個(gè)量子位的計(jì)算機(jī)能同時(shí)執(zhí)行的操作數(shù)就比可見(jiàn)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(jī)器對(duì)我們來(lái)說(shuō)仍是“羚羊掛角，無(wú)跡可尋”。糾纏和疊加都是非常精細(xì)的活，即使最輕微的擾動(dòng)都會(huì)導(dǎo)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(tái)能工作的量子計(jì)算機(jī)，量子位將不得不變得更加靈活，更容易恢復(fù)相干性，但迄今為止這方面的進(jìn)步一直不大。

1995年，科學(xué)家們首次在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算，從那時(shí)起，有科研團(tuán)隊(duì)已經(jīng)設(shè)法讓14個(gè)量子位發(fā)生了糾纏。這項(xiàng)紀(jì)錄的保持者是來(lái)自德國(guó)因斯布魯克的一個(gè)科研團(tuán)隊(duì)，他們使用了一個(gè)名為離子陷阱的設(shè)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(xué)的雷蒙德?拉弗莫和同事則設(shè)法使用同樣的技巧讓12個(gè)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(shí)驗(yàn)。這些方法存在的問(wèn)題是，它們并不容易進(jìn)行升級(jí)和擴(kuò)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(gè)組氨酸分子包含的適合原子數(shù)量也有限，因此，科學(xué)家們一直在搜尋更實(shí)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(wèn)題的方法是在半導(dǎo)體內(nèi)蝕刻量子位。哥本哈根大學(xué)的查爾斯?馬庫(kù)斯教授一直試圖使用電子自旋做到這一點(diǎn)。單電子制造的量子位很快會(huì)失去相干性，因此，他的研究團(tuán)隊(duì)決定使用兩個(gè)電子制造出一個(gè)量子位，他們將其稱為“量子點(diǎn)”，這是一塊細(xì)小的半導(dǎo)體晶體（馬庫(kù)斯使用的半導(dǎo)體是砷化鎵）。當(dāng)兩個(gè)這樣的量子點(diǎn)相互靠近時(shí)，能讓一個(gè)電子陷入一個(gè)量子點(diǎn)內(nèi)以彈出并同另一個(gè)量子點(diǎn)內(nèi)相鄰的電子相結(jié)合，兩個(gè)電子自旋的這種疊加就產(chǎn)生了量子位。

迄今為止，馬庫(kù)斯團(tuán)隊(duì)已設(shè)法讓4個(gè)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(shí)間足以用來(lái)執(zhí)行簡(jiǎn)單的代數(shù)操作，代數(shù)操作是計(jì)算的命脈。

另外，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的約翰?馬提尼斯和同事試圖從超導(dǎo)電路打造出量子位。在超導(dǎo)體內(nèi)，電子并不會(huì)單獨(dú)旅行，相反，因?yàn)閺?fù)雜的量子力學(xué)原因，它們會(huì)成雙成對(duì)地出現(xiàn)（也因?yàn)橥瑯拥脑颍@對(duì)電子之間不會(huì)有電阻）。當(dāng)它們成雙成對(duì)旅行時(shí)，這對(duì)電子的行為就像單個(gè)粒子一樣，這就出現(xiàn)了疊加傾向。例如，這個(gè)“超粒子”實(shí)際上一次能朝兩個(gè)方向移動(dòng)，當(dāng)這對(duì)電子移動(dòng)時(shí)，它們就制造出了一個(gè)磁場(chǎng)。接著，制造一個(gè)超導(dǎo)閉環(huán)，科學(xué)家們就得到了一個(gè)能同時(shí)朝上和朝下的磁場(chǎng)，馬提尼斯團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已設(shè)法讓5個(gè)這樣的超導(dǎo)量子位發(fā)生了糾纏。

前路漫漫 任重而道遠(yuǎn)

所有上述方法面臨的問(wèn)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(cuò)誤。一種確保他們能用量子位進(jìn)行計(jì)算的方法是用幾個(gè)量子位而非僅用一個(gè)量子位來(lái)對(duì)同樣的信息進(jìn)行編碼。因此，馬庫(kù)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(duì)于每個(gè)計(jì)算所需要的每一個(gè)“邏輯”量子位來(lái)說(shuō)，都存在著幾個(gè)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(lái)解決這一問(wèn)題，他和同事正在建造他們稱為拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)的機(jī)器，這臺(tái)機(jī)器在一層名為銻化銦的奇異材料上方使用了一個(gè)超導(dǎo)體。當(dāng)朝這套系統(tǒng)施加電壓時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)就變成了一個(gè)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常基礎(chǔ)的研究。制造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)的主機(jī)對(duì)于研究人員來(lái)說(shuō)還有很長(zhǎng)的路要走，更不用說(shuō)研發(fā)出量子計(jì)算機(jī)的臺(tái)式機(jī)了。馬提尼斯認(rèn)為，研制出一臺(tái)可用的量子處理器仍然需要10年。不過(guò)，他表示，上述研究表明科學(xué)家們或多或少在不斷取得進(jìn)步。當(dāng)他20年前進(jìn)入該領(lǐng)域時(shí)，他認(rèn)為，建造出一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)幾乎是一個(gè)不可能完成的任務(wù)，而現(xiàn)在，他說(shuō)：“這是一項(xiàng)非常困難的工作。”