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今年量子计算机将走出实验室

政府采购信息网作者：张章编译发布于：2017-01-11 11:01:27 来源：科学网

　　长期以来，量子计算被认为是20年以后才会实现的技术。但是，2017可能是这领域改变其“仅限于研究”的一年。

　　计算巨头谷歌和微软最近聘请了大量“重量级”人物，并且为今年设置了一些具有挑战性的目标。它们的野心反映了量子计算正在从纯科学转变到工程建造。

　　“人们是真的在建设一些东西。”IonQ公司联合创始人、美国马里兰大学物理学家Christopher Monroe说，“我从来没见到过这样的现象，量子计算已经不仅仅是科学研究了。”

　　《自然》杂志报道称，谷歌在2014年就开始研究基于超导性的量子计算机。它希望在今年或者稍晚一些，开发出的量子计算机能超越最强大的“传统”计算机——这一里程碑被命名为量子霸业。而其竞争对手微软，则把赌注压在了一个吸引人但还未经验证的概念——拓扑量子计算上，并希望首先实现这一技术。

　　量子计算初创企业也是一片火热。 Monroe计划在2017年年初启动一轮招聘。耶鲁大学物理学家、初创企业Quantum Circuits 的联合创始人Robert Schoelkopf 以及IBM 应用物理学家、Rigetti 创始人 Chad Rigetti 则表示，他们很快会实现关键技术的突破。

　　学术实验室也处在类似的拐点。“我们已经对所需组件和所有功能进行了演示。”Schoelkopf说。但Schoelkopf 等人认为，虽然要让所有组件共同工作，还需要进行一系列物理实验，但现在最主要的挑战是在工程上。

　　目前，最大量子位（20）的量子计算机，已经开始在学术实验室中进行测试。例如，在奥地利因斯布鲁克大学中，由Rainer Blatt领导的研究小组就在进行此类。

　　传统的量子计算机把信息转化成量子位进行编码，有两种状态：0或1。但组成量子计算机的量子位也可能会处于叠加状态，也就是同时处于1 或者同时处于0。而这种叠加，加上量子位分享量子状态的能力（纠缠），能够让计算机立刻执行任何形式的计算。而且，从理论上说，计算的数字是每一个增加的量子位的两倍，这会带来计算速度的指数级增长。

　　这种速度能让量子计算机执行任何具体的任务，例如在大型的数据库中进行搜索，这些在速度较慢的传统计算机中可能无法实现。量子计算机也可以变成一个研究工具：演示量子模拟，让化学家能使用此前没有预料到的细节理解反映，或者能让物理学设计出能够在室温下实现超导的材料。

　　而关于如何建造量子位，目前有许多建议。不过，两个主要的方法逐渐脱颖而出，这要归功于其储存信息的能力和不断增长的持续时间。虽然它们的量子状态还是很容易受到外部条件的干扰，并且在量子逻辑门运算上还有困难。

　　其中一个方法是Schoelkopf 参与提倡的，得到谷歌、IBM、Rigetti和Quantum Circuits 的采用。该方法涉及在超导循环中，把量子状态当成震荡波流进行编码。另一个方法是IonQ和一些主要实验室青睐的，即把量子位编码为单一的离子，并将其置于真空聚集槽的电磁场中。

　　在2014年带领团队一起加入谷歌的美国加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的John Martinis说，超导技术的成熟让他的团队可以对量子霸业设置一个大胆的目标。

　　Martinis团队计划使用一个“混乱的”量子算法实现这一目标。这一算法的产出看起来像一个随机的输出。但如果该算法在一个由相对较少的量子位组成的量子计算机上运行，一个传统的机器也能预测最后的输出，但一旦量子机器的量子位接近50，即使是大型的传统超级计算机也难以企及。

　　这一计算的结果可能没什么用，但是他们的尝试说明了，现在有一些任务是量子计算机无法攻克的。Martinis说：“我们想，这会是一个对未来有重要意义的实验。”

　　但Schoelkopf 并没有把量子霸业看成是一个“非常有趣或者有用的目标”，部分原因是它避开了纠错的挑战：系统在外部环境对量子位轻微的扰动后，恢复其信息流动方向的能力，这随着量子位数量的增加，会变得越来越难。反之，Quantum Circuits从一开始就打造能纠错的机器。这要求建立更多的量子位，机器也能够运行更加复杂的量子算法。

　　Monroe 则希望能尽快实现量子霸业，但这并不是IonQ的主要目标。这家初创企业的目标是建造拥有32或者64个量子位的计算机，相对超导电流技术，其离子阱技术也会让其设计变得更灵活、更可扩展。

　　同时，微软的拓扑量子计算依赖于物质间的刺激，即通过量子位之间的纠缠进行信息编码。储存在这些量子位中的信息对外部的干扰会有更强的抵抗力，同时也能让纠错变得更容易。

　　但没有人能够创造出这种刺激所需的物质状态，更不用说拓扑量子比特。但微软已经雇用到该领域四位领军人物，包括荷兰代尔夫特大学的 Leo Kouwenhoven，他创造出似乎是正确的刺激类型。

　　“我跟我的学生说，2017 年是转折之年。”Kouwenhoven 说。

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