条条道路通"量子" 科学家显身手研制量子计算机

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1981年，美国物理学家理查德·费曼提出，人们能够研制出“遵循量子力学法则的微型计算机”。他认为，这样的量子计算机可能是模拟现实世界量子系统的最好方式。自那时起，各国科学家一直在马不停蹄地研制量子计算机，但结果始终不尽如人意。　　不过，科学界最近涌现出的一些进步重新点燃了科学家想方设法组建更强大的量子计算机的热情。在美国和欧洲的实验室中，科学家正在使用不同的技术研制计算能力超强的量子计算机。
# t  N: E: b0 b6 B6 L& s　　基于微电子制造技术实现量子计算
" A* K: V; e" t　　其中最引人注目的是IBM（国际商用机器）公司的尝试，而其所依赖的正是耶鲁大学和加州大学圣巴巴拉分校过去几年在量子计算领域取得的进展。两个学校的研究团队分别将超导材料铼和铌铺展在一个半导体的表面，该半导体在被冷却到绝对零度左右时会表现出量子行为。这些科研成果表明，人们可以基于标准的微电子制造技术进行量子计算。
; s( J$ A" B: D+ Y! _, {# V　　IBM公司的托马斯·沃森研究中心组建了一支庞大的研究团队，正在开展一项为期5年的研究项目。该公司科学家戴维·迪文森佐表示，IBM非常希望能在量子计算机领域取得重大突破。
　　使用量子纠缠来获取信息
# ^' j1 a& e% Q; y9 A& F! A& I　　量子计算机的基本元件是量子比特。传统计算机用电位高低表示0和1以进行运算，量子计算机则用原子的自旋等粒子的量子力学状态来表示0和1，称为量子比特。在量子效应的作用下，量子比特可以同时处于0和1两种相反的状态（量子叠加），这使量子计算机可以同时进行大量运算，比传统计算机快得多。
8 c+ g  o* O9 R1 p, w. l/ O' G　　根据量子力学的基本原理，一个量子比特可以同时有两种状态；两个量子比特则可以同时表示4种状态；三个量子比特可以同时表示8种状态等等。随着量子比特数目的增加，其运算能力也呈指数级增加。
　　当然，这其中也面临着一定的困难。测量或者观测一个量子比特的行为可能会剥夺其计算潜力。于是，研究人员使用了量子纠缠来获取信息。在量子纠缠中，粒子被连接在一起，测量其中一个粒子的属性便可以直接揭示另一个粒子的相关信息，不管这两个粒子相距多远。但是，如何进一步高效地扩展纠缠的量子比特数目并让其维持这种纠缠状态，正是量子信息研究领域遭遇的严峻挑战。
5 {  K: W8 I: W( t$ f　　耶鲁大学的罗布·舍尔科普夫表示，目前他们正在研发一种量子比特，其工作方式与集成电路的方式一样，这样，科学家就能够同时让多个量子比特处于纠缠状态。尽管量子比特的数量增加得很慢，研究人员控制量子交互作用的精确度已经提高了1000倍。
　　加州大学圣巴巴拉分校的研究人员表示，明年他们就能制造出计算能力翻倍的量子计算机。该校的约翰·马丁尼斯表示，他们现正在设计一个具有4个量子比特、5个谐振器的设备，并计划用这个标准的微电子组件来迫使量子发生纠缠。如果一切进行得很顺利，他们希望一年左右将该系统增加到8个量子比特和9个谐振器。
; r' J1 d* t: ~( B　　今年6月，日本东芝公司欧洲研发部和英国剑桥大学卡文迪什实验室的科学家们研制出了一款新颖的光源——纠缠态发光二极管（ELED）。ELED与半导体LED相似，但ELED包含有量子点，量子点产生的纠缠光子对可被用于计算和高精度光通信网络。研究人员目前正在建立更加复杂的系统，并表示，通过这种方式可以研发出量子计算机。
　　离子阱制造量子比特
' \# e$ ]: |* M1 l+ \% X　　就目前而言，实现量子比特的最佳手段莫过于离子阱，也就是使用离子阱中的离子来制造量子比特。其做法是利用电极产生电场，把经过超冷处理的离子“囚禁”在电场里。研究人员已经能够使用激光来让离子纠缠。迄今为止，研究人员使用这种方法建造了8个量子比特的系统。而且，他们也已找到了可制造出更大系统的方法。目前，有超过20所大学和公司的研究实验室正在从事同类研发设计。
　　用超导材料制成量子计算机
* W! H& \) y; {  |　　还有一种富有竞争力的技术由总部位于加拿大的D波系统公司研发。该公司的量子芯片使用特殊的铌金属（元素符号Nb，一种类似于银、柔软的、可延展的金属）材料，在低温下呈超导态，据称其中的电流有顺时针、逆时针以及顺逆同时存在的混合状态，而其正是基于此来实现量子计算。
9 Z5 _" ~' g1 x3 t7 Q　　D波系统公司已经建立了一台超过50个量子比特的系统，但有些研究人员对此表示怀疑，认为该系统没有证明真正的量子纠缠。不过，谷歌公司图像识别技术组负责人哈塔姆·奈文表示，该公司已经收到了D波系统公司和美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室的提议，明年将基于D波系统公司的技术为谷歌公司研发一套量子计算设备。