通過微波信號進(jìn)行測量的超級量子計算機(jī)

IBM的3D超導(dǎo)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(lán)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(jìn)行?？涨坏膶挾却蠹s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(diǎn)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(jī)可進(jìn)行百萬項(xiàng)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(xué)家組織網(wǎng)報道，IBM研究院的科學(xué)家在提高量子計算裝置性能方面取得重大進(jìn)展。他們做到了在減少基本運(yùn)算誤差的同時保持量子比特的量子機(jī)械特性完整性，從而進(jìn)一步加快研制全尺寸實(shí)用量子計算機(jī)的步伐。量子計算機(jī)利用物質(zhì)的量子機(jī)械行為，計算能力超過目前的任何超級計算機(jī)。

計算領(lǐng)域的革命

借助于IBM實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的一系列技術(shù)，科學(xué)家得以減少基本運(yùn)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(jī)械特性完整性。 IBM采用了超導(dǎo)量子比特(利用已經(jīng)得到驗(yàn)證的硅微細(xì)加工技術(shù))，能夠在將來的某一天進(jìn)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(xué)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(jī)一次進(jìn)行數(shù)百萬項(xiàng)計算，臺式機(jī)通常只能進(jìn)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(jī)能夠利用這種特性進(jìn)行敏感信息的加密和解密，進(jìn)而對數(shù)據(jù)加密領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。IBM的科學(xué)家和研究小組負(fù)責(zé)人馬賽厄斯-斯特芬表示：“我們進(jìn)行的量子計算機(jī)研究絕不僅僅是一次引人注目的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)在已到了我們利用量子學(xué)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(shí)問題的量子計算系統(tǒng)。量子計算機(jī)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(jìn)行任務(wù)最優(yōu)化和解決此前無法解答的數(shù)學(xué)問題。普通計算機(jī)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(jī)一次進(jìn)行數(shù)百萬項(xiàng)計算。

消除量子脫散

在試圖利用量子計算的運(yùn)算能力過程中，科學(xué)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(dǎo)致的計算誤差。為了解決這個問題，科學(xué)家進(jìn)行了多年實(shí)驗(yàn)，尋找減少誤差以及延長量子比特保持機(jī)械特性時間的方式。如果能夠在足夠長的時間內(nèi)保持機(jī)械特性，并且找到有效的糾錯手段，量子計算機(jī)便可長時間進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算。

很多可靠系統(tǒng)都具有讓科學(xué)家研制出功能齊備的量子計算機(jī)的能力。目光，IBM將目光聚焦超導(dǎo)量子比特，允許科學(xué)家快速過渡到升級和生產(chǎn)。最近，IBM對一個獨(dú)特的三維超導(dǎo)量子比特裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在耶魯大學(xué)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(dá)到100微秒，是此前紀(jì)錄的2到4倍。根據(jù)IBM的研究，科學(xué)家能夠找到有效的糾錯手段，進(jìn)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(xué)問題。

在其他實(shí)驗(yàn)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(yùn)算——“控制非”運(yùn)算。這種運(yùn)算是更大規(guī)模的量子計算系統(tǒng)的基本構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，運(yùn)算的成功率達(dá)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(shí)驗(yàn)。

挑戰(zhàn)雖多 前景樂觀

研制一臺具有實(shí)用價值的量子計算機(jī)面臨很多科學(xué)和技術(shù)方面的挑戰(zhàn)，不過，科學(xué)家正快速取得進(jìn)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(xué)界確定的全尺寸量子計算機(jī)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(jìn)行信息交換，從他們身上學(xué)到很多東西，同時也得到一些大學(xué)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(xué)量子信息研究所的大衛(wèi)-蒂維塞佐表示：“IBM研究小組進(jìn)行的超導(dǎo)量子研究正不斷取得進(jìn)展，他們正朝著研制可靠可升級的量子計算機(jī)的道路穩(wěn)步前進(jìn)。他們研制的裝置性能出色，已經(jīng)讓他們非常接近滿足實(shí)用量子計算機(jī)最低要求的這一目標(biāo)。他們的研究證明有效糾錯和可靠的邏輯量子比特運(yùn)算能夠成為現(xiàn)實(shí)。”

由于IBM取得的研究突破，對超導(dǎo)量子比特和未來研制量子計算機(jī)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。現(xiàn)在，科學(xué)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(shí)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(jī)能夠具備與當(dāng)前研制的最先進(jìn)數(shù)字計算機(jī)同樣的性能或者實(shí)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。