量子計算新突破：英國科學家提出大大簡化囚禁離子的新技術

知識 11-27

前言：蘇塞克斯大學的物理學家日前向外界公布一項頗具開創性的技術，稱這一新技術可以大大簡化大尺度囚禁離子量子計算機的構建，這使我們離量子計算機的真正問世又更近了一步。

目前量子計算機還處於「概念」階段，但來自世界各地的大量計算機科學研究人員，正在這個已投入億萬資金的研究課題上如火如荼地展開研究，並且相信在近 50 年超級強大的量子計算機將會被研發出來。

在量子計算機系統的構建上，大部分用來創建量子門所利用的「原料」主要有以下幾種：囚禁的離子和原子；光粒子；作為量子位元的超導電路（IBM 所使用的技術）。

利用囚禁的離子的方法來構建的量子計算機，目前主要通過激光光束來創建量子門。

這種方法在創建小型的量子計算機（只有幾個量子位）上是可行的。然而要構建真正意義上的量子計算機，僅僅只有幾個量子位（quantum bits）是遠遠不夠的。因為量子位太少，無法實現大規模的計算，這也意味著用這種方法你需要一個擁有數億激光束的系統來構建量子門，並且激光束的排布需要控制在 5 微米誤差之內。

量子計算新突破：英國科學家提出大大簡化囚禁離子的新技術

通過囚禁離子（trapped-ion）構建的量子計算機將會擁有一組量子位的 X 結（X-junctions），這些量子位是通過對量子晶元表面上各自獨立的離子的捕獲而產生的（灰色區域）。這些彼此獨立的量子位可以通過操控電壓來獲得，就像通過調頻來收聽不同的頻道那樣簡單。試想以下情形：在 V1 電壓下，沒有任何量子位的操作（藍色區域）；V2 電壓下，產生了一個量子位（綠色區域）；V3 電壓下，產生兩個「糾纏」態的量子位（紅色區域）。以此類推，一個任意大的量子計算機都可以完全通過如此簡單的工程方法來實現。（圖片來源於蘇塞克斯大學。）

以上的方法在實際中非常難以實現，這也是為什麼至今也沒有真正意義上的量子計算機出現。蘇塞克斯大學的研究人員所提出的方法，解決了通過囚禁的離子這種方法來構建超級計算機所遇到的瓶頸。通過微晶元上電壓的改變來創造量子門來代替之前的激光光束，這個方法操作起來極為簡便。

「我們的方法將構建量子計算機的難度降到與經典計算機構建同等難度。經典計算機的構造中含有很多晶體管，這些晶體管的作用是通過電壓來執行經典的邏輯門，」蘇塞克斯大學的離子量子技術研究組的量子技術研究教授 Winfried Hensinger 在 IBTimes UK 的採訪中說到。

「我們運用微波輻射技術，也就是將整個量子計算機包圍在微波之中，然後我們設置將要處理區域的局部磁場梯度變化，在這之後就可以運用電壓的改變來產生量子門，通過對離子位置的改變來控制離子和整個微波場的相互作用。」這項研究已經在 Physical Review Letters 上發表，論文標題「Trapped-Ion Quantum Logic with Global Radiation Fields」。

一個創建量子門的簡易方法

要創建一個量子門，兩個量子位的量子糾纏是必備條件。其中兩個粒子可以保持相同狀態，即使兩個粒子在空間距離上相距很遠，其中一個粒子的狀態改變也會同步到另一個粒子。

如果你想構建一個量子門，那麼你將需要囚禁的離子之間能夠「共鳴」。但如果你僅僅需要一個單獨的量子位，那麼你會需要改變離子位置的選擇，這樣它就不會和全局微波場交互，這個過程在目前技術下是完全可以實現的。

蘇塞克斯大學是 Networked Quantum Information Technologies (NQIT) 的核心成員之一，該機構的研究資金來源於英國政府，也是英國政府在量子科技產業上的前沿陣地。

英國政府寄希望於英國的量子科技產業能誕生兩個大型的量子計算機範本——一個是在牛津大學，另一個就是在蘇塞克斯大學。

目前為止，超導量子位和囚禁離子型量子計算機的研究已取得了一定的進展，目前科學家已經實現大約 10 個量子位。

相比之下，目前蘇塞克斯大學的研究員在他們實驗室中所構建的量子計算機僅 2 量子位，但是他們下一代的量子計算機將會有 10 量子位，而且預計在三到四年之內研發完成。

「大型量子計算機的構建難度已大為降低。有史以來第一次，你可以僅使用電壓來控制囚禁離子量子位以打造量子計算機，」Hensinger 說到，並且他個人認為囚禁離子型的量子計算研究將比超導量子研究的進展更快。

「這項研究將會徹底改觀當前囚禁離子型量子計算機的構造過程，就像是從功能型手機到智能手機的轉變。最明顯的優勢是這個技術可以產生數以萬計的量子位，而且完全是當前技術可實現的。」

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