石墨烯有望使人類距離量子計算機更近一步！

小烯導讀

石墨烯和量子計算機都是人類技術創新下一代的標誌。每個都代表其在各自的起始領域（材料和計算）以及它們所應用領域的革命性轉變。但是，最近的研究標明這兩種最令人激動的技術的發展可能會結合起來。

夾在兩塊石墨烯片之間的絕緣氮化硼

目前，世界各個科技強國都在布局研發量子計算機，這被認為是未來的核心科技之一。這項技術的核心之一是尋求一種創造量子比特的方法-這些量子計算是穩定的，這意味著它們不會受到環境變化的影響。這通常需要能夠在非常低的溫度下運行的高度非線性非耗散元件。

石墨烯和量子計算機都是人類技術創新下一代的標誌。每個都代表其在各自的起始領域（材料和計算）以及它們所應用領域的革命性轉變。但是，最近的研究標明這兩種最令人激動的技術的發展可能會結合起來。

為了實現這個目標，EPFL的光子和量子測量實驗室LPQM（STI / SB）的研究人員研發出一種非線性的基於石墨烯的量子電容器，可以與超導電路的低溫條件兼容，並且基於二維（2D）材料。當連接到電路時，該電容器具有產生穩定量子位的潛力，並且還具有其他優點，例如比許多其它已知的非線性低溫器件相對容易製造，並且對電磁干擾的敏感性更低。這項研究發表在了最新的《2D Materials andApplications》雜誌上。

正常數字計算機基於由0或1組成的二進位代碼運行計算。在量子計算機中，這些位由可以同時處於兩個狀態的量子位替代，並且可以任意疊加。這將顯著提高了其對某些類別應用程序的計算和存儲容量。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當於一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，並按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。這種計算稱為量子並行計算，也是量子計算機最重要的優越性。但實現量子計算有很苛刻的條件比如極低的溫度。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機，問題是在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了。已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場，最後脫穎而出的是一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對於電子計算機一樣。

為了產生穩定的量子位，一種有希望的方法是使用超導電路，其中大部分電路基於約瑟夫遜效應運行。不幸的是，它們難以製造並對干擾磁場太敏感。這意味著最終的電路必須非常好地被隔離在電磁和電磁屏蔽上，這意味著元器件必須緊湊的集成在一起，給製造工藝帶來了很大困難。

在EPFL的LPQM中，已經探索了容易製造的電容器，不那麼龐大且不太容易受到干擾的想法。它由夾在兩個石墨烯片之間的絕緣氮化硼組成。由於這種夾層結構和石墨烯的不尋常性質，進入的電荷與生成的電壓成比例。這種非線性是產生量子位過程中的必要步驟。該設備可以顯著改善量子信息的處理方式，但也有其他潛在的應用。它可以用於創建非常非線性的高頻電路 - 一直到太赫茲方式 - 或者用於混合器，放大器和光子之間的超強耦合。

利用石墨烯在量子電容設計中的特殊性能，將使我們更加了解如何創建一個實用的量子計算機。這只是石墨烯的許多用途的一個例子。海水淡化、超導應用等等能力，使得石墨烯有潛力引導我們進入科學的新時代。

也許，我們正站在下一個技術革命的十字路口。

量子計算機，究竟有多神奇？

2011年5月11日，D-Wave公司發布了一款號稱「全球第一款商用型量子計算機」D-Wave One

量子計算機最大的優勢在於大幅縮短提取用戶所需信息的時間，它可以在幾天內解決傳統計算機會花費數百萬年才能處理的數據，因此未來的應用前景十分令人神往。

日前，谷歌量子人工智慧實驗室宣布量子計算機最新進展：在兩次測試中D-Wave2X的運行速度比傳統模擬裝置計算機晶元運行速度快1億倍。經過與傳統計算機的比較，谷歌稱已證明其量子計算機確實可執行數學計算。谷歌工程技術主管哈特馬特·納文表示，「這是一個值得我們歡欣鼓舞的結果，不過要將量子計算機帶入我們的日常生活，技術人員們要做的工作還有很多。」

那麼量子計算機到底為何物呢？讓我們一起走近量子計算機，揭開它神秘的面紗。

讓計算速度「飛」起來

正如電影《異次元駭客》中演繹得那般，在科技發達的時代，科學家們可以通過強大的計算機虛擬出一個城市，虛擬城市中的科學家又虛擬出一個城市。不管是第一層虛擬或者第二層虛擬，其中的人類生活得怡然自得，他們有思想，有感覺。沒有人去懷疑世界的真實性，完全不知道自己是個人工智慧。

事實上，完成如此巨大模擬並不是一件容易的事情。一個人類個體本身所具有的全部特點、微小的變化以及本身細胞之間的各種間接的作用聯繫，還有環境溫度、大氣變化等等將是一個難以估量的龐大數據，通用計算機將很難實現完全模擬，這就需要量子計算機來完成。

據來自蝌蚪五線譜的文章稱，人們研究量子計算機最初很重要的一個出發點是探索通用計算機的計算極限。早在1982年，頗有遠見的美國著名物理物學家理查德·費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系實現通用計算的新奇想法。1985年，英國物理學家大衛·杜斯提出了量子圖靈機模型。理查德·費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少，從而量子計算機的概念誕生了。

目前，我們所有的計算機體系都是基於馮諾依曼式的組織結構，其運行速度的增長已經明顯放緩，對於大規模數據的分析計算效率也很難再提高。量子計算的提出，則是旨在專門為複雜問題的求解設計一種全新的計算機體系，即所謂的量子計算機。

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法時，它就是量子計算機。

谷歌日前宣布D-Wave量子計算機在解決問題時能夠比其他任何計算機都快出1億倍，並且能夠極大地推動人工智慧的進步。據悉，谷歌此次宣布的重要佐證就是「量子退火」演算法。這種演算法確定了當面臨一系列潛在解決方案時一個特定函數的全局極小值，即在給定一系列選項時，它能夠確定完成一個任務所需的最優解決方案。谷歌對D-Wave計算機的量子計演算法與傳統計算機上模擬量子隧道效應的演算法進行了比較，量子計算機再次獲得了完勝。

基於量子計算的機器，由於體系結構發生了變化，將採用全新的演算法，這使得大規模數據的計算與存儲不再成為難題。業界人士認為，量子計算機的巨大突破將為雲計算和大數據處理乃至整個計算機科學領域帶來一場變革。

並行計算是最大優勢

其實，量子計算機的計算原理和薛定諤的貓是一樣的，利用的都是「量子疊加態」。這意味著計算機能同時嘗試所有可能的解，以遠超傳統計算機的速度進行複雜的計算。

按照傳統演算法，當用戶需要提取某一個片語信息或者需要解決一個問題時，計算機要先把所有可能性列舉出來並驗證一遍才能得到正確的信息，而量子計算機能夠直接計算並提取出相應信息。這種計算稱為量子並行計算，也是量子計算機最重要的優越性。

量子計算的神奇之處在於，它可以做到真正的並行計算與存儲。例如，一個數位的經典存儲器可以存儲兩個數字0或者1，但在某一時刻這個數字要麼是0要麼是1；而對於量子比特存儲器來說，在同一時刻，它可以同時存儲0和1，其存儲和運行能力都成指數上升，一個250量子比特的存儲器可以存儲的數字比我們已知宇宙所有的原子數還多。

想像一下，你被要求5分鐘內在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個字母「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。

這是量子計算機公司D-Wave聯合創始人埃里克·勒迪辛斯基對其應用前景的解釋。谷歌和NASA聯合研究的量子計算機，其實就是從這個公司購買的。2013年，谷歌從D-Wave系統公司購買了一台量子計算機，並與NASA共同開展量子計算機的研究項目。D-Wave系統公司自2007年推出首台量子計算機開始就備受爭議。一些學者認為由於量子形態並不穩定，量子計算機只是在理論層面可行。然而這次，谷歌和NASA一同證實了量子計算機的可操作性。

顛覆你未來的生活

谷歌宣布D-Wave2X的速度達到了傳統晶元的1億倍，實在是令人驚嘆。量子計算機最大的優勢莫過於大幅縮短提取用戶所需信息的時間，因此它被認為可以在幾天里解決傳統計算機會花費數百萬年時間才能處理的數據，未來的應用前景十分令人神往。

現在的天氣預報大多是基於探測數據的推測，很難保證準確。但量子計算機可以一次分析所有數據，向我們提供更好的模型，精準地顯示惡劣天氣會在何時何地出現。我們可以提前預測颶風等極端天氣，從而預留足夠的時間拯救生命。

每天出行GPS可以幫你優化出最佳線路，但如果有了量子計算機，我們可以把整個城市甚至整個地球上所有人的出行計劃全都輸入進去，讓它計算出最優解，從而讓人們徹底告別交通擁堵。

在研發藥物方面，量子計算機能夠描繪出數以萬億計的分子組成，並將其中最可能有效的組合快速識別出，顯著降低藥物的研發成本和周期。

在探索太空方面，量子計算機可以處理望遠鏡視野中更多的數據，從而發現更多的行星，並迅速識別出最有可能存有生命體的行星。

儘管實現這些應用還有很長的路要走，但各大公司對量子計算機的研究絕不會停止，因為它能顛覆整個世界。一旦計算速度出現質的飛越，我們生活的方方面面都會被改變。

「落地」仍面臨諸多難題

既然量子計算機已經研製成功，那為什麼現在還沒有普及呢？因為，它的運行條件要符合三個條件：真空環境、絕對零度和磁場保護。

量子力學是研究微觀尺度的科學，要想控制計算機的量子位，其實就是需要操縱單個原子，因此條件是非常苛刻。原子在常溫下的速度高達到數百米每秒，只有讓原子保持在極低的溫度狀態，才能受控制。所以量子計算機D-Wave2X處理器溫度一直穩定在-273℃，只比宇宙絕對零度高0.015℃而已。

除此之外，量子計算機還要放到比地球磁場弱50000倍（基本相當於沒有磁場）、大氣壓比地球小100億倍（基本相當於真空）的環境中，以保持量子態的穩定。

除了對環境要求嚴格，量子計算機在實際落地推廣方面也會遇到一些障礙。由於量子計算機的計算方法完全不同，因此編程的方式也完全不同並且更加複雜。這意味著，對於程序員來說，要掌握一套比現有演算法更為複雜的編程方式。

當然，計算機還有許多需要克服的技術問題，比如量子的不穩定性決定信息狀態不穩定，這將影響到計算的準確性。

事實上，實現對微觀量子態的操縱確實太困難，但這並不能妨礙人們進行大膽地探索與設想，也許不久的將來量子計算機就會出現在我們的生活中。

論文信息：

Nonlinear graphene quantum capacitors for electro-optics,npj 2D Materials and Applications1, Article number:7(2017)

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