長久的期待：可編程量子計算機已為時不遠
編者按：物理學家已經揭開了可編程的5量子位處理模塊的神秘面紗。這些模塊可以被連接到一起來組成強大的量子計算機。
1981年，諾貝爾物理學獎獲得者理查德·費曼（Richard Feynman）在麻省理工學院的一次會議上提出了「量子計算機」的概念，並認為這種計算機在運算速度上可以遠遠超過傳統計算機。30多年來，量子計算機的研究起起伏伏，既有激動人心的發現，同時也飽受各種質疑。
我們可以肯定，建造強大的量子計算機是21世紀物理學最艱巨的挑戰之一。不過，雖然眼前困難重重，物理學家還是在一步步向前。
目前，他們已經逐漸找到以必要的精確性控制量子粒子的方法，這樣就可以在僅有幾個量子位的小尺度上運行量子演算法。尺度本身是一個巨大的挑戰，因為物理學家需要在很小的尺度上將各種技術結合到一起以處理數量巨大的量子位並完成強大的量子計算。
現在，美國馬里蘭大學帕克分校的沙塔木·德布納特（Shantanu Debnath）和同事們提出一種5量子位的量子計算機模塊，該模塊可以被編程並運行任何量子演算法。
而在他們看來，最重要的則是這個模塊可以去連接其他模塊，執行包含數目巨大的量子位的量子計算。德布納特和同事們表示：「這個小的量子計算機可以擴展為單一模塊內大量的量子位，並通過連接許多模塊得到更進一步的擴展。」
沙塔木·德布納特（Shantanu Debnath）
物理學家在量子計算機上運行量子演算法已經有差不多20年的時間，最早的2量子位計算機和3量子位計算機出現在20世紀90年代晚期。但從那時起，量子計算機的發展就幾乎停滯不前，原因主要在於將大量量子粒子連接到一起同時保持這些粒子的量子態是極其困難的。
這裡我們不得不提及一家極具爭議性的公司。2010年，加拿大D-Wave公司宣布開發出可以處理超過1000個量子位的量子計算機，這也是全球首款商用量子計算機。2013年，由谷歌公司（Google）和美國國家航空航天局（NASA）等機構組成的財團購買過一台D-Wave公司生產的設備。但是，截止到目前，絕大多數物理學家都對D-Wave公司成功研製商用量子計算機的說法表示懷疑，他們也不清楚這種計算機是否真正利用量子效應進行計算。
D-Wave公司的量子計算機
新設備以最近20年量子計算機的重要工作為基礎，包含5個排成一線的並被囚禁在電磁場中的鐿離子。他們通過用激光轟擊的辦法控制每個離子的電子態，這使得每個離子可以儲存一個比特的量子信息。
因為這些離子帶電，所以它們彼此之間會有力的作用。這令科學家可以精確地控制離子振動的頻率。這些振動使得離子成為糾纏態。這樣的話，它們的量子位就可以相互作用。通過控制這些相互作用，物理學家可以完成量子邏輯運算，而量子演算法就是一系列邏輯運算的疊加。
完成一系列任意運算的能力非常重要，而此前幾乎沒有量子計算機可以做到這一點。事實上，絕大多數量子計算機被設計來運行特定單一的量子演算法。這也正是德布納特和同事們著手去改變的。他們已經建造了一個自包含模塊（self-containedmodule）。這個模塊可以用激光處理每一個離子，並且讀出量子位間相互作用的結果。
這個團隊已經使這個設備通過執行幾種不同的量子演算法來經受測試。「例如，我們執行過 Deutsch-Jozsa 演算法、Bernstein-Vazirani 演算法和量子傅里葉變換演算法」，他們說：「這裡介紹的這些演算法展示了由離子阱量子結構所提供的計算靈活性。」
這些成果令人印象深刻，但這個團隊表示這台設備還能做得更好。他們特別指出，由於他們的模塊是可擴展的，因此幾個5量子位模塊連接起來可以組成一台更強大的量子計算機。
不過說起來容易做起來難。接下來，德布納特和同事們需要做的是展示如何連接這些模塊，並說明這種連接如何增加了可能的計算效果。如果他們實現了這個目標，這將會是量子計算髮展的一大步。大規模的可編程量子計算也許在不遠的未來就能成為現實。
編譯整理：鞠強
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