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  2012年度美国科学促进会(AAAS)年会在加拿大温哥华隆重召开期间,科学家们宣读了一系列与量子计算有关的新研究结论。英国《经济学人》杂志网站日前对此进行了报道,并表示,量子计算领域尽管已经取得了一定的成就,但量子计算要想真正进入实用阶段,还有很长的路要走。

  量子计算机的秘密武器:叠加和纠缠

  一方面,量子效应对现代电子学来说非常重要,它能使晶体管变得非常小;但另一方面,量子效应也是一个惹人讨厌的“调皮鬼”,由于电子的位置并非确定不变,它能让晶体管内的电子简单地从一个地方消失并在另外一个地方再次出现,这样会使得电流泄漏出来,导致信号衰减。

  不过,有些科学家却从中看到了机会。他们认为,量子尺度上发生的一些诡异事件可以被利用起来,让人们能以一种全新且更快的方式进行计算并发送信息,至少从理论上而言,这些信息不可能被拦截。几个对此感兴趣的科研团体希望建造出量子计算机,以解决目前的计算机无法解决的问题,诸如找出几百位数的质因子或将大的数据库一网打尽等等。这些研究计划和成果都在AAAS的年度大会上得到了展示。

  这些科学家们努力的核心是量子叠加和量子纠缠这两种量子力学现象。普通的数字计算机以位的形式操纵信息,位的值要么是1,要么是0。在计算机内,不同的电流电压分别表示1和0,这同电子的电荷有关。电荷是所有电子的固定特征,每个电子的电荷数目是一样的。但是,电子也拥有其他特征,比如自旋,自旋的方向可以表示为“向上”、“向下”或者模糊不清的“既向上又向下”。这种既向上又向下的状态就被称为叠加,叠加能被用来构建量子力学中的位——量子位(量子比特)。

  与此同时,纠缠使粒子捆绑在一起以增加更多量子位。在量子机器中,每增加一个量子位会让它能同时进行的操作翻番,这就是量子计算机之所以拥有强大计算能力的“秘诀”。比如,2个相互纠缠的量子位可以进行4个操作;3个量子位可以进行8个操作,等等,依此类推。那么,一个拥有300个量子位的计算机能同时执行的操作数就比可见宇宙中的原子数还多。

  叠加和纠缠并不稳定

  然而,不幸的是,这样的机器对我们来说仍是“羚羊挂角,无迹可寻”。纠缠和叠加都是非常精细的活,即使最轻微的扰动都会导致“量子位”失去这种相干性,让它们的神奇属性消失殆尽。为了建造出一台能工作的量子计算机,量子位将不得不变得更加灵活,更容易恢复相干性,但迄今为止,这方面的进步一直不大。

  1995年,科学家们首次在实验室内实现了量子计算,从那时起,有科研团队已经设法让14个量子位发生了纠缠。这项纪录的保持者是来自德国因斯布鲁克的一个科研团队,他们使用了一个名为离子陷阱的设备,并让以处于不同能量状态的铷原子的叠加形式而存在的量子位在其间发生了纠缠。而加拿大滑铁卢大学的雷蒙德·拉弗莫和同事则设法使用同样的技巧让12个量子位发生了纠缠,让特定的原子在名为组氨酸的氨基酸单分子内发生了纠缠,组氨酸的特征使它非常适合这样的实验。

  这些方法存在的问题是,它们并不容易进行升级和扩展。离子陷阱位于大的真空室内,不能轻易地收缩。另外,一个组氨酸分子包含的适合原子数量也有限,因此,科学家们一直在搜寻更实用的量子位。

  各出奇招制造稳定的量子位

  一种有潜力解决这一问题的方法是在半导体内蚀刻量子位。查尔斯·马库斯以前是哈佛大学的教授,现在是哥本哈根大学的教授,他一直试图使用电子自旋做到这一点。单电子制造的量子位很快会失去相干性,因此,他的研究团队决定使用两个电子制造出一个量子位,他们将其称为“量子点”,这是一块细小的半导体晶体(马库斯使用的半导体是砷化镓)。当两个这样的量子点相互靠近时,能让一个电子陷入一个量子点内以弹出并同另一个量子点内相邻的电子相结合,两个电子自旋的这种叠加就产生了量子位。

  迄今为止,马库斯团队已设法让4个这样的量子位结合在一起,而且,使用了一套灵敏的技巧将其寿命延伸至10微秒,这一时间足以用来执行简单的代数操作,代数操作是计算的命脉。他们希望使用硅或碳,进一步延长其寿命,硅或碳的原子核对纠缠电子的干扰比砷化镓要小。

  另外,美国加州大学圣巴巴拉分校的约翰·马提尼斯和同事试图从超导电路打造出量子位。在超导体内,电子并不会单独旅行,相反,因为复杂的量子力学原因,它们会成双成对地出现(也因为同样的原因,这对电子之间不会有电阻)。当它们成双成对旅行时,这对电子的行为就像单个粒子一样,这就出现了叠加倾向。例如,这个“超粒子”实际上一次能朝两个方向移动,当这对电子移动时,它们就制造出了一个磁场。接着,制造一个超导闭环,科学家们就得到了一个能同时朝上和朝下的磁场,马提尼斯团队现在已设法让5个这样的超导量子位发生了纠缠。

  马提尼斯团队还使用一套名为共振腔的设备,将信息从电路传送到单个光子并将光子捕获在一个空腔内,并持续几微秒。换句话说,他们已经制造出了一个量子存储设备。几微秒听起来很短暂,但足以执行很多基本操作。

  前路漫漫任重而道远

  所有上述方法面临的问题是,他们赖以依靠的量子状态非常脆弱,很容易出现错误。一种确保他们能用量子位进行计算的方法是用几个量子位而非仅用一个量子位来对同样的信息进行编码。因此,马库斯、马提尼斯以及拉夫莫不得不在他们的系统中建立一些多余的量子位。这样,对于每个计算所需要的每一个“逻辑”量子位来说,都存在着几个其他的物理量子位,所有这些量子位都需要被纠缠在一起。

  微软公司研究中心的米歇尔·弗里德曼正试图另辟蹊径来解决这一问题,他和同事正在建造他们称为拓扑量子计算机的机器,这台机器在一层名为锑化铟的奇异材料上方使用了一个超导体。当朝这套系统施加电压时,整个系统就变成了一个能以叠加状态而存在的量子系统。

  弗里德曼的量子位与马提尼斯的量子位的不同之处在于,它们对干涉反应的方式不同。在马提尼斯的量子系统中,刺激一个超导电路中的任何电子,整个系统都会失去相干性。然而,弗里德曼的设计对这样的本地破坏活动“刀枪不入”,因为它采用一种特殊的方式让能量遍布于整个锑化铟上。迄今为止,微软公司的团队还没有制造出一个起作用的量子位,但他们希望很快能做到,他们也正在寻找其他材料来重复同样的实验。

  所有这些研究都是非常基础的研究。制造出一台量子计算机的主机对于研究人员来说还有很长的路要走,更不用说研发出量子计算机的台式机了。马提尼斯认为,研制出一台可用的量子处理器仍然需要10年。不过,他表示,上述研究表明科学家们或多或少在不断取得进步。当他20年前进入该领域时,他认为,建造出一台量子计算机几乎是一个不可能完成的任务,而现在,他说:“这是一项非常困难的工作。”(记者刘霞综合外电)