QC觀察∣美國能源部期望通過量子計算打破摩爾定律

在經典計算中，摩爾定律(Moore』s Law)認為集成電路中的晶體管數量約每隔兩年便會增加一倍。然而，有跡象表明摩爾定律正在放緩，最終將「撞牆」。這就是量子計算的切入點。除突破摩爾定律的障礙外，一些人將量子計算作為未來計算機的發展趨勢。它是國家核安全管理局(NNSA)先進模擬和計算(ASC)項目的優先項目。

能源部勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory)正通過「打破摩爾定律」(Beyond Moore"s Law)項目研究量子計算和其它新興技術。杜波依斯(Dubois)和埃里克·霍蘭德(Eric Holland)正為量子計算技術的短期應用開發一個全面的協同設計策略，以解決國家核安全管理局的重大突出問題。

台式電腦是以二進位形式的1或0(打開或關閉)存儲信息，而量子系統中，信息可以疊加態存儲信息。理論上，這些機器可以解決某些複雜的問題，比以往任何計算機都要快得多。雖然經典計算機以串列的方式(每次生成一個答案)執行功能，但量子計算機可能會以高度並行的方式執行功能和存儲數據，速度、性能和存儲容量呈指數級增長。

量子計算實驗室已準備就緒，包括測試台設備。根據實驗室量子計算戰略計劃(Lab"s Quantum Computing Strategic Initiative)，研究人員對量子裝置的原型進行測試，且正在開發一種演算法，用於解決原型設備上的量子模擬問題。原型設備看起來簡單而又奇怪。它是一個圓柱形金屬盒，裡面懸掛著藍寶石晶元。盒子放置在冷藏的真空管里(外層鍍金，從而提供固體的熱匹配)，溫度低於外層空間——零下460華氏度。在真空中，它具有極高的超導性和零電阻的特點，從而延長了疊加態的壽命。

杜波依斯(Dubois)解釋稱：「這是一個完美的電導體，如果你在裡面發送一個激發態(excitation)，就能在盒子里得到電磁(EM)模式。我們正在利用盒子里的空間——量子場，存儲和操縱量子信息，決定不同量子態之間能量的細微分裂。」這些能量差異是用來改變數子空間的。

為了「與盒子對話」，研究人員使用了任意波形發生器。它會產生了振蕩信號——信號時序決定了系統正在進行什麼計算。杜波依斯稱，物理學家實際上是為薛定諤方程建立一個量子求解器，這是幾乎所有物理學的基礎，也是量子計算系統動力學的決定性因素。

2017年，美國能源部向包括杜波依斯和勞倫斯·伯克利國家實驗室的物理學家伊爾凡·西迪奇和喬納森·卡特在內的一個團隊資助了150萬美元。該團隊希望確定量子系統的基礎技術，開發一種實用且可用的量子計算機以解決實際問題。

杜波依斯稱，量子計算科學正處在一個轉折點上。三年內，團隊應該能夠評估出哪種類型的量子系統值得作為試驗台系統。研究人員首先想證明對量子計算機的控制，並解決具體的量子力學問題。然後，他們想要建立一個用戶設備或基於雲的系統，任何用戶都可以登錄並解決複雜的量子物理問題。

量子計算機自從1999年第一次超導量子比特誕生以來，已得到長足的發展。近20年，量子系統得到了極大的改進，量子比特疊加態的壽命延長或衰變為0或1的時間足以證明這一點。1999年，這個數字是十億分之一秒。目前，系統已經達到了幾十到幾百毫秒，這聽起來可能並不多，但是每年量子比特的壽命都增加了一倍。

杜波依斯稱，「就測試台項目而言，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的第一代量子設備將大約是20個量子比特。該系統完成量子力學計算的實踐將從大約一天降低到微秒。為實現這一目標，物理學家需要了解如何設計能夠擴展量子態的系統。它需要持續足夠長的時間才能成為量子，且需要是可控的。最好的控制方法是將值更改為我想要的任何值，這是我們的目標。」

本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。

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