谷歌開發(fā)通用量子計算機取得重要突破

　　過去30年，研究人員一直試圖開發(fā)能解決任何計算問題的通用量子計算機。目前，來自美國加州和西班牙的一支團隊開發(fā)了一款原型設備，能解決物理和化學領(lǐng)域的多種問題，而未來還有可能被應用至更廣泛的領(lǐng)域。IBM和加拿大公司D-Wave此前利用不同方式開發(fā)了可提供一定功能的量子計算機。然而，這樣的設備無法擴大至更多量子位，從而解決傳統(tǒng)計算機無法解決的問題。

　　來自加州圣芭芭拉谷歌研究實驗室的計算機科學家，以及加州大學圣芭芭拉分校和西班牙巴斯克大學的物理學家近期在《自然》雜志上介紹了他們的最新設備。

　　南加州大學量子計算專家丹尼爾·利達爾(Daniel Lidar)表示：“從許多方面來看，這都是出色的成果，吸取了量子計算行業(yè)許多有價值的經(jīng)驗。”

　　谷歌的原型產(chǎn)品結(jié)合了兩種量子計算技術(shù)。其中一種技術(shù)使用針對特定問題、有著特殊排列的量子位去設計計算機數(shù)字電路。這類似于傳統(tǒng)微處理器中的訂制數(shù)字電路。

　　D-Wave的量子計算機芯片

　　量子計算理論的很大一部分基于這種技術(shù)。這其中也包括避免計算結(jié)果偏離的誤差修正方法。不過到目前為止，基于這種技術(shù)的量子計算機只限于幾個量子位。

　　另一種技術(shù)稱作“絕熱量子計算(AQC)”。計算機將特定問題編碼為一組量子位，并逐步調(diào)整這些量子位之間的互動，以“塑造”共同的量子態(tài)，得出解決方案。從理論上來說，任何問題都可以被編碼為一組量子位。

　　谷歌團隊的計算機科學家拉米·巴倫茲(Rami Barends)表示，這種技術(shù)受到隨機噪聲效應的限制，而這種效應會引入系統(tǒng)無法修正的誤差。此外，這種技術(shù)也無法保證有效地解決任何問題。

　　不過，全球首款商用的量子計算設備正是基于AQC技術(shù)。這款產(chǎn)品來自英國公司D-Wave，價格約1500萬美元。谷歌也擁有一臺D-Wave的設備。不過，巴倫茲及其同事認為，有更好的方式去利用AQC技術(shù)。

　　他們希望找到某種誤差修正方式。如果沒有誤差修正，那么利用AQC技術(shù)去擴大計算規(guī)模將非常困難，因為在更大的系統(tǒng)中，誤差的積累將會很快。該團隊認為，實現(xiàn)這一目標的第一步是將AQC技術(shù)與數(shù)字方法中的誤差修正技術(shù)結(jié)合在一起。

　　在研究中，谷歌的團隊采用了9個固態(tài)量子位。這些量子位由十字形的鋁制薄膜制成，寬度約為400微米。隨后，這些量子位被固定在藍寶石表面上。研究人員將這些鋁制薄膜的溫度降低至0.02開爾文(約零下273攝氏度)，使金屬成為超導體，電阻完全消失。利用這些超導態(tài)的量子位，研究人員可以向其中編碼信息。

　　相鄰量子位的互動由“邏輯門”控制。邏輯門利用數(shù)字方式去操控量子位，使其進入某種狀態(tài)，從而得出問題的解。在演示中，研究人員對量子位進行排列，使其模擬有著一定自旋態(tài)的磁性原子陣列。這樣的問題已經(jīng)在凝聚態(tài)物理中得到了充分研究。研究人員隨后可以通過量子位去確定總勢能最低的原子自旋態(tài)組合。

　　對傳統(tǒng)計算機來說，這是個非常簡單的問題。不過，谷歌的新設備也可以處理所謂的“non-stoquastic”問題，而這是傳統(tǒng)計算機做不到的。這其中包括對多個電子互動的模擬，這以往需要準確的化學計算機模擬。從量子層面模擬分子和其他物質(zhì)將是量子計算最有價值的應用。

　　利達爾表示，這種新方法將使量子計算機可以進行量子誤差修正。盡管研究人員尚未做出證明，但該團隊此前表示，在9個量子位的設備上可以做到這點。

　　谷歌團隊的另一名成員阿里雷扎·沙巴尼(Alireza Shabani)表示：“憑借誤差修正，我們的技術(shù)可以成為通用算法，從而拓展至任意的大型量子計算機。”

　　谷歌的設備目前基本上停留在原型產(chǎn)品階段。不過利達爾表示，在未來幾年中，超過40個量子位的設備將成為現(xiàn)實。

　　他表示：“屆時，對量子動力學的模擬將成為可能，而這是傳統(tǒng)硬件做不到的。這意味著‘量子霸權(quán)’的到來。”