問問科學家：用超導體建造量子計算機

科技 04-12

美國物理學會Physics網站（APS Physics）定期推出問答欄目，簡單採訪來自研究一線的物理學家，問他們有關研究課題和職業選擇的問題。我們將不定期編譯推出，以方便廣大物理學學生和愛好者了解一線物理學家的研究現狀。本期採訪的是紐約錫拉丘茲大學布里頓·普盧爾德（Britton Plourde），他研究的是用超導電路建造量子計算機。

撰文凱瑟琳·賴特（Katherine Wright）

翻譯余卉

審校丁家琦

問問科學家：用超導體建造量子計算機

圖片來源：Amy Manley/Syracuse University

布里頓·普盧爾德（Britton Plourde）從小就對電路感到著迷。在孩提時代，他酷愛設計並建造模型飛機，其過程就包括將許許多多電子元件用線連接起來。讀研究生時，他轉而用微米級超導材料製造更小更複雜的電路。如今，普盧爾德正在紐約錫拉丘茲大學領導一個研究團隊，試圖為量子計算機製造超導元器件。美國物理學會Physics網站記者來到了普盧爾德位於紐約雪城的實驗室，在這裡採訪了他。

你現在在研究什麼？

我目前的研究重點是量子比特（quantum bit，也稱qubit）：怎樣製造它們，怎樣更好地製造它們，以及怎樣延長量子比特的壽命——也就是量子比特從量子疊加態衰變到經典態的時間。我還在嘗試找出讓數個量子比特彼此發生相互作用的方法，從而在數個量子比特間產生糾纏態。

你的主要研究興趣是超導量子比特，那它們到底是什麼呢？

它們是包含超導元器件的微製造電路，表現得就像有離散能級的「人造原子」。在電路，中兩個不同的電激發就對應於量子比特的兩種狀態。

有很多方法來實現量子比特，你為什麼致力於利用超導體？

就在我2000年在加州大學伯克利分校開始做博士後之前，日本的一個團隊已經實現了第一個超導量子比特。當時，超導電路似乎是一個有趣的研究方向，但它們僅有一納秒左右的壽命，離實際應用還很遠。但是，理論上，利用類似半導體工業中的技術，可以把超導元器件可以集成到一個大型處理器中，這樣可能就可以快速製造數十億的超導電路。我們想要將相同的技術用於量子計算機，但在這之前必須搞清楚是否能從超導電路中得到穩定的量子態。早在2000年，人們還很懷疑這件事的可行性。

那麼現在呢？

現在，我們已經達到了可以用超導電路建造一個小型量子處理器的階段。用十個量子比特構造系統是可行的，或許還能比這個再多一點。更重要的是，從2000年以來，量子比特的壽命已經提高了5個量級，此外，科技的發展也帶來了實現電路及控制技術的關鍵步驟，可以糾正量子錯誤，這對建造量子計算機來說至關重要。這是多麼激動人心進步！

我們現在能在超導量子計算機上運行什麼運算？

已經有研究者初步實現了幾個量子演算法，包括將15分解質因數為5和3。因數分解演算法是促使科學家研究量子計算機的原始動力之一，因為目前為止還沒有已知的經典演算法可以高效地將大數分解為質因數的成績。當數越來越大，計算時間就急速增加。如果一個數包含2000比特（600位），對它因數分解的時間會比宇宙年齡還長。一個量子計算機可以在大致一天內將這樣一個大數分解，但是這個計算機將需要超過一百萬量子比特，還不考慮其它要求，所以我們的路才剛剛開始。

量子計算機還能做什麼其他事嗎？

最近有很多人關注量子模擬——用一個量子計算機來模擬另一個量子系統，例如難以在傳統計算機上數值模擬的複雜分子。這不需要近百萬量子比特，只要數十個或數百個就可以完成。模擬計算可能是量子處理器取得突破的首個領域，它們執行得比經典方法更快。

會不會在將來某一天，我們的筆記本電腦都變成了量子計算機？

不會的。有一天每個人的辦公桌上都有一台量子計算機，這是不可能的。而且量子計算機也並不是解決所有問題都比傳統計算機快——這是一個普遍的誤解。在很多問題上量子計算機更慢，或者根本沒有使用的意義。你不可能在一個量子計算機上運行電子表格或寫你的歷史課學期論文。

為什麼2016年對於致力於量子計算的研究者來說是個好時機？

該領域處於基礎物理和前沿科技交叉處，因而異常激動人心。我們現在已經能夠製造出人工量子系統，也能控制一個較大的系統，研究其中的量子力學基本特性，這很好。一些公司正在試圖建造超導量子計算機，因此，在該領域獲得博士學位的人自然會有很好的就業機會。

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