叩開量子計算機大門：牛津大學將量子邏輯門精度提至99％

隨著各國在量子信息科學領域的投入和研發，各個大學、研究室和公司的研發成果層出不窮。一台真正意義上的量子計算機或許會比我們預期的更早到來。

當地時間8月4日，《物理評論快報》（Physical Review Letters）發表了牛津大學教授在創造量子計算機道路上的一個里程碑：由英國工程和物理科學研究理事會（EPSRC）資助的網路量子信息技術中心（NQIT）的科學家已經將量子邏輯門（quantum logic gate）的精度提升到了讓人驚嘆的 99%。這一精度已經達到了實際構建一台量子計算機所需的理論精度基準。

量子計算機

在理解這一研究成果的里程碑意義以前，大家可能得先理解什麼是量子邏輯門，它和傳統計算機又有什麼不同。

首先，量子計算機和傳統計算機都是用來處理數據的工具，其輸出態和輸入態之間存在邏輯關係。通常將實現從輸入態到輸出態演化的單元叫邏輯門。

在傳統計算機中，通常採用二進位代買來傳遞和加工信息。數字0和1隻表示兩種不同狀態，而不表示數值大小，稱為邏輯值。比如：「與」、「或」、「非」等邏輯關係就是傳統計算中的經典邏輯值。

由於量子具有量子疊加 （系統同時包含所有的可能測量結果，一旦某個測量發生，則結果將為定值）和量子糾纏（多粒子的疊加態，它們的屬性相互關聯影響）這兩個特性。因此，就產生了與傳統計算機最大的區別：傳統計算機中一個比特只能有0和1中的一個狀態，而在量子計算機中，一個比特可以同時具備0和1的狀態，這個比特可以處於兩個態的疊加態。

量子疊

牛津大學物理系和巴利奧爾學院教授，也是此次研究成果的作者之一David Lucas在解釋量子糾纏概念時，將它比作是位於世界不同地方能夠感受彼此的痛苦和情緒的雙胞胎。只不過這些科學家是在原子的尺度上這樣做的。Lucas說：「量子糾纏描述了一種有兩個量子物體存在的情況——在我們的案例中是兩個單獨的原子——它們共享一個共同的量子態。也就是說，測量其中一個原子的性質可以了解另一個原子的性質。」

量子糾

同時，傳統計算機實現的是信息流動的單向過程，從輸出不能再逆向輸入。而量子計算則可以實現輸入態和輸出態的可逆過程。由此一來，量子計算機就能做到許多傳統計算機無法做到的計算，計算也大大提升。

舉例來說：某一天，你被要求在5分鐘內，在美國國會圖書館某一本書的某頁上找到一個大寫字母「X」，這幾乎是不可能的，因為那裡有5000萬冊書。但是如果你處於5000萬個平行現實中，每個現實都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個現實中找到這個「X」。在這個假設中，普通計算機就是像瘋子一樣的那個你，需要5分鐘內一本接一本的找遍儘可能多的書。而量子計算機卻能將你複製出5000萬個，每個只需翻找一本書即可。

這次牛津大學兩位教授的研究主要是尋找到了使用原子來構建量子邏輯門的方法。這需要將兩個不同的原子放入到同一個量子糾纏態之中。之前已有專家表明如果這種邏輯門的精度低於 99%，那麼理論上就不可能構建出量子計算機。理論的閾值需要達到 99.9%。

根據論文摘要，研究人員在激光碟機動的兩量子位和單量子位邏輯門上分別實現了99.9（1）% 和 99.9934（3）% 的保真度（Fidelity），顯著超過了容錯量子計算所需的約 99% 的最小閾值水平。

正是這樣的背景說明了牛津大學這一成果的激動人心之處。有了這一研究成果後，一台真正意義上的量子計算機才離我們更近一步。

「事實證明量子機制的信息操作方式能給量子計算機帶來遠比任何可以想像的常規計算機更加高效的解決特定問題的方法。其中這樣的一個問題是安全密碼破解，另外還有搜索大型數據集等。量子計算機天生就很適合模擬其它量子系統，這可能有助於我們，比如說，理解化學和生物學相關的複雜分子。」牛津大學莫德林學院研究者、該論文的第一作者 Chris Ballance 博士在接受媒體採訪時說。

當然，光是有高精度的邏輯門還不足以讓我們製造出量子計算機。Lucas本人表示：「量子邏輯門本身並不能構成量子計算機，但如果沒有它們，你也不能造出量子計算機。」

量子計算的驚人顛覆

理解了量子計算後，它還能解決複雜得多的問題。在尋找問題解決方案的時候，它們與人類極為相似，這將令它們可以執行許多人類才能勝任的工作。

美國主流網路媒體BI還曾評選出量子計算機最令人激動的7大應用。分別是提供更為精準的天氣預報、更高效地發現新葯、治理交通擁堵、加強軍事和國防、更安全的加密通信、加速太空探索以及幫助機器學習和自動化。

谷歌工程主管哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）認為，量子計算機可以幫助建立更好的氣象模型，這可以讓我們更深入地了解人類如何影響環境，並幫助我們確定現在能夠採取哪些措施，以便能預防災難發生。

除此之外，在新葯的研發、人類基因分析排序上，量子計算都能發揮巨大作用。因為量子計算機可以繪製出數以萬億計的分子組合模式，並迅速確定最有可能生效的組合。新葯的開發是一個漫長且複雜的過程，化學家們需要進行無數不同分子組合方式試驗，以找到可真正有效治癒疾病的藥物特性。這一過程可能需要數年時間，耗費數百萬美元資金。但有了量子計算後，可以大大節省研發成本和藥物研發時間。

同時，量子計算還能簡化空中和地面交通控制的工作量，因為量子計算本質上是一種最優路徑選擇。它可以同時計算所有路線的長度，並以更快的速度篩選出最佳路線。這樣一來，就可以在高速公路和複雜的城市公路網中避免擁堵。

正如前面所舉的例子，量子計算可以在多任務、複雜且混亂的資料中找到具體細節，因此該技術還可以運用到關鍵情報的刪選中。在此之前，衛星不斷收集的大量照片和視頻資料可能因計算能力有限而被過濾掉，但有了量子計算後，這種情況將得到改變，從而提高軍事和國防的安全性。

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