一場劃時代的科學(xué)革命 超級量子計算機再獲突破

　　量子計算機號稱是“21世紀(jì)的太空競賽”，是一場劃時代的科學(xué)革命。量子計算機具有強大的計算能力，可以解決傳統(tǒng)計算機難以或者不能解決的問題，例如，設(shè)計復(fù)雜藥物和先進材料、大型數(shù)據(jù)庫搜索等。

　　目前，量子計算機的最大挑戰(zhàn)在于如何最大限度的長時間保留其量子態(tài)疊加，因為這將有利于保留更長時的量子信息，從而有助于開發(fā)更可靠的超級量子計算機。

　　10月17日，《NatureNanotechnology》在線發(fā)表了澳大利亞新南威爾士大學(xué)(簡稱UNSW)最新開發(fā)的新型量子位(也稱量子比特)的相關(guān)論文。

　　UNSW量子計算與通訊技術(shù)中心的項目經(jīng)理安德魯·莫雷羅領(lǐng)導(dǎo)了相關(guān)研究，他們利用置于高頻振蕩電磁場下的單個硅原子電子自旋態(tài)，獲得了目前為止保留時間最長、最穩(wěn)定的量子態(tài)疊加，其退相時間為T2ρ*=2.4毫秒，穩(wěn)定性獲得了10倍的提升。

　　量子計算機的超強計算速度和能力主要依賴于其可以同時存儲初始狀態(tài)的多種量子態(tài)疊加，n位量子存儲器的存儲能力是傳統(tǒng)計算機的2n倍。正是基于量子態(tài)疊加原理，量子計算機具有巨大數(shù)據(jù)存儲能力，進而能夠進行高效率的并行計算。

　　量子位器件的SEM(掃描電子顯微鏡)紅色代表各種“調(diào)頻門”，藍色代表“微波天線”，黃色代表用于讀出自旋態(tài)信息的“單電子晶體管”。

　　莫雷羅團隊為此已經(jīng)進行了長達十年的研究，目前已經(jīng)能夠通過在靜態(tài)磁場中，利用硅芯片單個磷原子的電子自旋態(tài)編碼量子信息，建立了目前量子態(tài)疊加保留時間最長的固態(tài)器件量子位。

　　這次，該團隊又進一步提高了量子位的穩(wěn)定性能，提出了新的量子信息編碼方法：新型量子位是由單個硅原子的自旋態(tài)組成，該原子處于微波頻率下不斷振蕩的高強電磁場中。當(dāng)電子與外加磁場耦合后，量子位也被重新定義——量子位的兩個狀態(tài)不再簡單是電子的自旋方向，而是相對于耦合磁場的“對稱”與“不對稱”。

　　結(jié)果十分震撼：由于由微波產(chǎn)生的電磁場不斷以高頻振蕩，任何非同頻率的噪聲或擾動的最終凈效應(yīng)都為零，最終獲得的量子態(tài)疊加保留時長整整提升了10倍!具體來說，實驗獲得的退相時間為T2ρ*=2.4毫秒，相比于標(biāo)準(zhǔn)量子位性能優(yōu)異10倍，這就使得量子態(tài)疊加穩(wěn)定保留更長時間，從而允許進行更多的計算操作。

　　論文的第一作者、UNSW電氣工程與通信學(xué)院研究員阿爾納·勞赫特說：“新型量子位實現(xiàn)了單個電子的自旋態(tài)與高頻振蕩電磁場耦合。耦合后的量子位，相比于單獨的電子自旋，獲得的功能更通用、更穩(wěn)定，這將有助于開發(fā)更可靠的量子計算機。”

　　墜飾量子位和裸量子位的量子態(tài)對比

　　這種高頻振蕩強電磁場下的單原子的電子自旋耦合成的量子位稱為“綴飾量子位”，相比于“未修飾”的“裸量子位”，新型量子位能夠提供更多的量子態(tài)控制方法。比如，通過簡單地調(diào)整微波電磁場的頻率就能控制相應(yīng)的量子態(tài)疊加，就像調(diào)頻收音機一樣。相反，“裸量子位”控制方法則需要調(diào)節(jié)控制場的開關(guān)，就像調(diào)幅收音機(AMradio)一樣。

　　從某種意義上來說，這也是為什么“綴飾量子位”更不易受到噪聲的干擾：量子信息由頻率控制，而頻率非?？煽?相反，幅值則更容易受到外部噪聲的影響。

　　另外，Laucht團隊的量子位器件是基于標(biāo)準(zhǔn)硅芯片技術(shù)構(gòu)建的，所以該新型量子位技術(shù)有望基于傳統(tǒng)電子計算機的現(xiàn)有制造工藝開發(fā)出強大、可靠的量子處理器。

　　目前，UNSW與其科研人員、企業(yè)以及澳大利亞政府已達成7000萬美元的協(xié)議開發(fā)原型硅量子集成芯片，作為建造全球首部硅基量子計算機的第一步。而莫雷羅團隊作為硅基量子計算技術(shù)的全球領(lǐng)先者，理所當(dāng)然是其中一員。

　　量子計算機能夠大幅度提升特定復(fù)雜計算任務(wù)的速度和效率，在一些重點領(lǐng)域，例如大型數(shù)據(jù)庫搜索、復(fù)雜方程組求解以及原子系統(tǒng)建模如生物分子或藥物分子建模等，量子計算機將遠遠超越當(dāng)今的傳統(tǒng)計算機。而且，量子計算機在金融、信息技術(shù)和醫(yī)療保健業(yè)等各行各業(yè)都有潛在的巨大應(yīng)用，對于政府、安保以及國防等機構(gòu)也大有裨益。

　　量子計算機的最大優(yōu)勢還在于，它的超強超快計算能力將十分利于新藥開發(fā)，通過加速電腦輔助制藥化合物的設(shè)計過程來減少費時費力的試錯測試。

　　此外，量子計算機還能加速開發(fā)更輕更強韌的新型材料，廣泛應(yīng)用于從消費電子到飛行器設(shè)計等領(lǐng)域。更不用說，還能為未知領(lǐng)域的探索提供新的計算方法和應(yīng)用。