通過微波信號進行測量的超級量子計算機

IBM的3D超導量子比特裝置，一個量子比特(長度大約在1毫米左右)懸浮在小型藍寶石芯片的空腔中央。這個空腔由裝置的兩半閉合后形成，測量通過向連接器傳遞微波信號進行。空腔的寬度大約在1.5英寸(約合3.81 厘米)左右。對于單個量子比特演示來說，這個裝置的尺寸似乎有點大。研究小組表示這一系統(tǒng)可以按比例放大，容納數(shù)百或者數(shù)千個量子比特。

計算領(lǐng)域的革命：IBM量子計算機可進行百萬項計算

一個硅芯片，容納3個量子比特。這個芯片倒裝在印刷線路板上，通過絲焊(8×4毫米)連接I/O同軸電纜。更大規(guī)模的量子比特和振蕩電路集成可用于打造具有可升級性的系統(tǒng)。

據(jù)美國物理學家組織網(wǎng)報道，IBM研究院的科學家在提高量子計算裝置性能方面取得重大進展。他們做到了在減少基本運算誤差的同時保持量子比特的量子機械特性完整性，從而進一步加快研制全尺寸實用量子計算機的步伐。量子計算機利用物質(zhì)的量子機械行為，計算能力超過目前的任何超級計算機。

計算領(lǐng)域的革命

借助于IBM實驗室研發(fā)的一系列技術(shù)，科學家得以減少基本運算的誤差，同時保持量子比特(量子計算中攜帶信息的基本單位)的量子機械特性完整性。 IBM采用了超導量子比特(利用已經(jīng)得到驗證的硅微細加工技術(shù))，能夠在將來的某一天進行升級，生產(chǎn)數(shù)千或者數(shù)百萬臺量子比特計算裝置。在2月27日至3 月2日于美國馬薩諸塞州波士頓舉行的美國物理學會年度會議上，IBM的研究人員將公布他們的最新研究成果。

量子比特的特性允許量子計算機一次進行數(shù)百萬項計算，臺式機通常只能進行最低限度的同步計算。250量子比特所包含的比特數(shù)超過宇宙內(nèi)的原子數(shù)量。量子計算機能夠利用這種特性進行敏感信息的加密和解密，進而對數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。IBM的科學家和研究小組負責人馬賽厄斯-斯特芬表示：“我們進行的量子計算機研究絕不僅僅是一次引人注目的物理學實驗?，F(xiàn)在已到了我們利用量子學知識研發(fā)相關(guān)計算系統(tǒng)的時候了，這種系統(tǒng)能夠?qū)⒂嬎泐I(lǐng)域帶到一個全新的疆界。”

IBM的研究小組致力于研發(fā)能夠解決現(xiàn)實問題的量子計算系統(tǒng)。量子計算機的潛在應(yīng)用包括搜索由非結(jié)構(gòu)化信息構(gòu)成的數(shù)據(jù)庫，進行任務(wù)最優(yōu)化和解決此前無法解答的數(shù)學問題。普通計算機所能理解的最基本信息單位是比特。比特就像是一個電燈，可以打開和關(guān)閉，1比特只有兩個值，一個是“1”，另一個是 “0”。對于量子比特來說，它們的值除了可以是“1”或者“0”外，還可以讓兩個值同時存在。這種特性被稱之為“迭加”，允許量子計算機一次進行數(shù)百萬項計算。

消除量子脫散

在試圖利用量子計算的運算能力過程中，科學家面臨的一大挑戰(zhàn)是控制或者消除量子脫散，也就是熱量、電磁輻射和材料缺陷等干擾因子導致的計算誤差。為了解決這個問題，科學家進行了多年實驗，尋找減少誤差以及延長量子比特保持機械特性時間的方式。如果能夠在足夠長的時間內(nèi)保持機械特性，并且找到有效的糾錯手段，量子計算機便可長時間進行復雜運算。

很多可靠系統(tǒng)都具有讓科學家研制出功能齊備的量子計算機的能力。目光，IBM將目光聚焦超導量子比特，允許科學家快速過渡到升級和生產(chǎn)。最近，IBM對一個獨特的三維超導量子比特裝置進行了實驗，實驗在耶魯大學啟動。

研究人員利用一個3D量子比特延長量子比特保持量子態(tài)的時間——達到100微秒，是此前紀錄的2到4倍。根據(jù)IBM的研究，科學家能夠找到有效的糾錯手段，進而可以將目光投向量子比特計算裝置可升級性涉及的工程學問題。

在其他實驗中，IBM的研究小組演示了一個更為傳統(tǒng)的二維量子比特裝置，執(zhí)行一次2量子比特邏輯運算——“控制非”運算。這種運算是更大規(guī)模的量子計算系統(tǒng)的基本構(gòu)成。實驗結(jié)果顯示，運算的成功率達到95%，部分歸功于較長的相干時間，接近10微秒。這些數(shù)字是尋找有效糾錯方案的重要數(shù)據(jù)，同時也有助于未來的多量子比特實驗。

挑戰(zhàn)雖多 前景樂觀

研制一臺具有實用價值的量子計算機面臨很多科學和技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，不過，科學家正快速取得進展，因此前景非常樂觀。

在研制量子比特計算裝置過程中，IBM在核心裝置的技術(shù)和性能方面取得一系列令人吃驚的成就，性能自2009年中期以來從最初的100倍提高到現(xiàn)在的1000倍，距離科學界確定的全尺寸量子計算機所需滿足的最低要求已經(jīng)非常接近。IBM表示，他們與量子計算研究領(lǐng)域的同行進行信息交換，從他們身上學到很多東西，同時也得到一些大學和工業(yè)合作伙伴的幫助，這對于他們的研究非常重要。

德國亞琛大學量子信息研究所的大衛(wèi)-蒂維塞佐表示：“IBM研究小組進行的超導量子研究正不斷取得進展，他們正朝著研制可靠可升級的量子計算機的道路穩(wěn)步前進。他們研制的裝置性能出色，已經(jīng)讓他們非常接近滿足實用量子計算機最低要求的這一目標。他們的研究證明有效糾錯和可靠的邏輯量子比特運算能夠成為現(xiàn)實。”

由于IBM取得的研究突破，對超導量子比特和未來研制量子計算機的樂觀情緒快速高漲。迄今為止，這一領(lǐng)域的大部分工作都旨在如何提高計算裝置性能?，F(xiàn)在，科學家也必須將目光聚焦系統(tǒng)集成，評估針對糾錯的信息處理需求、I/O問題、可行性以及升級成本。

根據(jù)IBM的設(shè)想，一臺具有實用性的量子計算系統(tǒng)包括一個與量子計算硬件相連的傳統(tǒng)系統(tǒng)。為了讓量子計算機能夠具備與當前研制的最先進數(shù)字計算機同樣的性能或者實現(xiàn)超越，必須借助于在通訊和封裝技術(shù)領(lǐng)域取得的成果。