一場(chǎng)劃時(shí)代的科學(xué)革命 超級(jí)量子計(jì)算機(jī)再獲突破

　　量子計(jì)算機(jī)號(hào)稱是“21世紀(jì)的太空競(jìng)賽”，是一場(chǎng)劃時(shí)代的科學(xué)革命。量子計(jì)算機(jī)具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以或者不能解決的問(wèn)題，例如，設(shè)計(jì)復(fù)雜藥物和先進(jìn)材料、大型數(shù)據(jù)庫(kù)搜索等。

　　目前，量子計(jì)算機(jī)的最大挑戰(zhàn)在于如何最大限度的長(zhǎng)時(shí)間保留其量子態(tài)疊加，因?yàn)檫@將有利于保留更長(zhǎng)時(shí)的量子信息，從而有助于開(kāi)發(fā)更可靠的超級(jí)量子計(jì)算機(jī)。

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

　　UNSW量子計(jì)算與通訊技術(shù)中心的項(xiàng)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(chǎng)下的單個(gè)硅原子電子自旋態(tài)，獲得了目前為止保留時(shí)間最長(zhǎng)、最穩(wěn)定的量子態(tài)疊加，其退相時(shí)間為T(mén)2ρ*=2.4毫秒，穩(wěn)定性獲得了10倍的提升。

　　量子計(jì)算機(jī)的超強(qiáng)計(jì)算速度和能力主要依賴于其可以同時(shí)存儲(chǔ)初始狀態(tài)的多種量子態(tài)疊加，n位量子存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)能力是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的2n倍。正是基于量子態(tài)疊加原理，量子計(jì)算機(jī)具有巨大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，進(jìn)而能夠進(jìn)行高效率的并行計(jì)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(mén)”，藍(lán)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(tuán)隊(duì)為此已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)十年的研究，目前已經(jīng)能夠通過(guò)在靜態(tài)磁場(chǎng)中，利用硅芯片單個(gè)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(shí)間最長(zhǎng)的固態(tài)器件量子位。

　　這次，該團(tuán)隊(duì)又進(jìn)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(gè)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(qiáng)電磁場(chǎng)中。當(dāng)電子與外加磁場(chǎng)耦合后，量子位也被重新定義——量子位的兩個(gè)狀態(tài)不再簡(jiǎn)單是電子的自旋方向，而是相對(duì)于耦合磁場(chǎng)的“對(duì)稱”與“不對(duì)稱”。

　　結(jié)果十分震撼：由于由微波產(chǎn)生的電磁場(chǎng)不斷以高頻振蕩，任何非同頻率的噪聲或擾動(dòng)的最終凈效應(yīng)都為零，最終獲得的量子態(tài)疊加保留時(shí)長(zhǎng)整整提升了10倍!具體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)獲得的退相時(shí)間為T(mén)2ρ*=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(zhǎng)時(shí)間，從而允許進(jìn)行更多的計(jì)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(shuō)：“新型量子位實(shí)現(xiàn)了單個(gè)電子的自旋態(tài)與高頻振蕩電磁場(chǎng)耦合。耦合后的量子位，相比于單獨(dú)的電子自旋，獲得的功能更通用、更穩(wěn)定，這將有助于開(kāi)發(fā)更可靠的量子計(jì)算機(jī)。”

　　墜飾量子位和裸量子位的量子態(tài)對(duì)比

　　這種高頻振蕩強(qiáng)電磁場(chǎng)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(guò)簡(jiǎn)單地調(diào)整微波電磁場(chǎng)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(jī)一樣。相反，“裸量子位”控制方法則需要調(diào)節(jié)控制場(chǎng)的開(kāi)關(guān)，就像調(diào)幅收音機(jī)(AMradio)一樣。

　　從某種意義上來(lái)說(shuō)，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，而頻率非常可靠;相反，幅值則更容易受到外部噪聲的影響。

　　另外，Laucht團(tuán)隊(duì)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(jì)算機(jī)的現(xiàn)有制造工藝開(kāi)發(fā)出強(qiáng)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(dá)成7000萬(wàn)美元的協(xié)議開(kāi)發(fā)原型硅量子集成芯片，作為建造全球首部硅基量子計(jì)算機(jī)的第一步。而莫雷羅團(tuán)隊(duì)作為硅基量子計(jì)算技術(shù)的全球領(lǐng)先者，理所當(dāng)然是其中一員。

　　量子計(jì)算機(jī)能夠大幅度提升特定復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的速度和效率，在一些重點(diǎn)領(lǐng)域，例如大型數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)算機(jī)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越當(dāng)今的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。而且，量子計(jì)算機(jī)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(duì)于政府、安保以及國(guó)防等機(jī)構(gòu)也大有裨益。

　　量子計(jì)算機(jī)的最大優(yōu)勢(shì)還在于，它的超強(qiáng)超快計(jì)算能力將十分利于新藥開(kāi)發(fā)，通過(guò)加速電腦輔助制藥化合物的設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)減少費(fèi)時(shí)費(fèi)力的試錯(cuò)測(cè)試。

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