量子计算机研究(上)

量子计算机 量子计算机以处于量子状态的原子作为中央处理器和内存，利用原子的量子特性进行信息处理。 由于原子具有在同一时间处于两个不同位置的奇妙特性，即处于量子位的原子既可以代表0或1，也能同时代表0和1以及0和1之间的中间值，故无论从数据存储还是处理的角度，量子位的能力都是晶体管电子位的两倍。对此，有人曾经作过这样的比喻：假设一只老鼠准备绕过一只猫，根据经典物理学理论，它要么从左边过，要么从右边过，而根据量子理论，它却可以同时从猫的左边和右边绕过。 量子计算机在外形上有较大差异，它没有盒式外壳；看起来像是一个被其它物质包围的巨大磁场；它不能利用硬盘实现信息的长期存储；但高效的运算能力使量子计算机具有广阔的应用前景。 如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。这些计算机机异常敏感，哪怕是最小的干扰--比如一束从旁边经过的宇宙射线--也会改变机器内计算原子的方向，从而导致错误的结果。目前，量子计算机只能利用大约5个原子做最简单的计算。要想做任何有意义的工作都必须使用数百万个原子。

由硅制成的量子计算机能够利用大规模制造技术，更简单方便地制造出商用设备。

《自然》杂志官网

科技日报北京1月23日电 ：量子计算机由于强大的计算潜能和由此获得的广泛用途而“引无数英雄竞折腰”。在这个群雄争霸的量子计算机战国时代，各路英豪各出奇招，提出了不同的量子计算机物理体系，比如采用囚禁离子、超导等，这些方法可谓“春兰秋菊，各有胜场”。

而另一种比较低调的方法——用硅制造量子计算机，随着材料科学和工程学领域的不断进步，逐渐获得很多科学家的青睐。据英国《自然》杂志近日报道，半导体巨头英特尔公司已经研制出了首台采用传统计算机硅芯片制造技术的量子计算机。业内人士认为，用硅制造量子计算机意味着可以利用成熟的大规模制造技术，更容易地制造商用设备。

当然，也有不少专家指出，距离真正研制出实用的硅量子计算机，还需时日。

硅量子技术春天到来

目前，许多实验室已经开发出了量子计算机原型，但它们通常要在接近绝对零度的温度下工作。这场计算竞赛中的领跑者通常使用下列两种方法之一来编码量子位：利用被囚禁在势阱中的单离子，或利用在超导回路中振荡的电流。但这两种系统都需要精准控制：离子技术使用复杂的激光系统来读写每个量子位，超导量子位则必须各有一个装置来用无线电波控制它们。

而硅技术的拥趸看到了使用半导体来编码量子位的巨大优势。比如，这样的量子位可以更简单地利用蚀刻在芯片上的微型电线来操控；另外，如果传统芯片的大规模制造技术可应用到量子领域，那么技术转化为商用产品将会变得更容易。

上海交通大学教授金贤敏对科技日报记者说：“采用硅晶体管开发量子位，还有一个原因在于，相对于超导材料，硅量子位的可靠性更高。谷歌研究员此前曾发布论文指出，目前所有的量子位都容易出错，因为它们使用的量子效应非常脆弱，即使对设备的噪音加以控制，也能在远不足一微秒的瞬间扰乱量子叠加。”

现在，首台采用传统计算机硅芯片制造技术的量子计算机已由英特尔公司研制成功，并交付给了合作伙伴——位于荷兰代尔夫特理工大学的研究机构。英特尔的这台低调设备或许就像一朵羞答答的迎春花，昭示硅量子技术春天的到来。

一些科学家也表示，在“硅路线”上看到了希望。澳大利亚新南威尔士大学米歇尔·西蒙斯的团队也在开发用硅制造量子计算机的方法。去年5月，西蒙斯创办了初创企业“硅量子计算”，澳大利亚政府提供了资金支持。

商用前途漫漫仍可期

其实，用硅制造量子计算机的想法并不新鲜。早在20年前，美国马里兰大学帕克分校的实验物理学家布鲁斯·凯恩，就率先建议利用嵌入硅的磷原子核的磁向（自旋）来编码量子位。与此同时，IBM的理论物理学家戴维·文森佐和瑞士巴塞尔大学的丹尼尔·鲁斯，也提出了一种用半导体内部移动电子的自旋来存储信息的方法。

有不少研究人员针对这两项建议进行了实验性探索，但正如普林斯顿大学物理学家杰森·佩塔所说，囿于相关材料科学和工程领域多年来进展缓慢，硅量子计算机领域鲜有重大突破。

鉴于此，近年来，西蒙斯担任“掌门人”的新南威尔士大学量子计算和通信技术中心做了大量基础工作，他们开发了一种只需要极少控制导线的制造技术，可避免量子设备扩大后不可避免的拥挤问题。无独有偶，2017年，佩塔和代尔夫特大学的利芬·万德斯潘分别领导的团队均获得了里程碑式进展——他们设计出了第一个完全可控的双量子位硅元器件。

10年间，英特尔公司已在代尔夫特累计投资5000万美元，目前，该公司正为万德斯潘研制多量子位电子自旋设备。英特尔量子硬件开发负责人詹姆斯·克拉克说：“我们希望通过加速自旋量子位来与更成熟的方法竞争。”

西蒙斯计划在5年内建造一台10个硅量子位的计算机。谷歌、IBM等公司则“押宝”其他技术，试图构建出约有50个超导量子位的计算机；英特尔也在朝这个方向进发，但它同时投资了硅量子计算机技术，希望通过广撒网，最终在量子计算机竞争中拔得头筹。

金贤敏也对科技日报记者表示：“即使超导量子比特风头正劲，似乎更有希望，但其实其错误率等问题仍然很大，前景不容乐观。尽管硅量子计算目前能实现的量子位数最少，量子门实现的时间最晚，但成熟的硅基工艺却为未来的成长潜力提供了很大的想象空间。”

量子计算的黄金时代即将到来，它将为运算带来指数级加速，但无人知晓，最终哪种量子位能脱颖而出，助人类研制出最强大的实用型量子计算机，只有时间能告诉我们答案，让我们拭目以待。（刘 霞）