新的量子计算突破可能是大规模量子芯片的关键

量子计算是一种很难被夸大的技术，它有可能一步完成计算，而传统计算机需要数十万年才能完成。 问题在于，赋予量子计算令人难以置信的能力的同一个物理学漏洞也使其几乎不可能可靠地控制——但研究人员表示，这种情况可能即将改变，大规模量子芯片最终能够兑现量子计算的承诺。计算可能比我们预期的要早得多。

8 月 13 日发表在Science Advances上的新研究声称，一项新技术可以为量子计算工程师提供一种方法来可靠地控制数十或数百个量子比特，而是数百万个量子比特，从而清除阻碍量子计算发展的最大障碍之一。具有商业实用性。

量子位的问题在于它们依赖于量子力学中称为叠加的现象，它允许亚原子粒子同时具有两个相互排斥的特性(例如电子的自旋)。

量子计算工程师使用这种叠加来表示作为数字技术基础的一和零——比特——但由于叠加，一个量子比特可以同时是一和零(因此，使它成为一个量子比特，或者简称量子位)。

这使得量子计算机能够执行极其复杂的计算，而英特尔 Rocket Lake 处理器需要 10 亿年的时间才能同时计算所有可能的结果。

问题是，当你“看”一个量子位的那一刻，它的叠加就会崩溃到一个定义的状态，它就变成了一个普通的旧位，量子位令人难以置信的计算能力就消失了。

这使得对它们进行有效控制以执行计算非常困难，需要各种设备来阻止外部干扰并使量子位尽可能接近绝对零，以便它们大部分保持静止并且不会相互碰撞，所有这些在量子力学方面算作“看”。

这让一直在努力以可靠方式控制数十、数百或最多几千个量子位的工程师们束手无策，但现在新南威尔士大学 (UNSW) 的研究人员表示，他们已经解决了量子位控制的问题，有可能解锁量子计算的力量可以解决我们最紧迫的现实世界问题，例如医学研究、气候预测等等。

新南威尔士大学电气工程与电信学院的教员 Jarryd Pla 博士说：“到目前为止，控制电子自旋量子位依赖于我们通过将电流通过量子位旁边的电线来传递微波磁场。”如果我们想要扩展到量子计算机解决全球重大问题(例如新疫苗的设计)所需的数百万个量子位，这将带来一些真正的挑战。”

问题是，为了添加更多的量子比特，你需要添加更多的电线来产生控制它们所需的磁场。然而，电线会产生热量，过多的热量会导致量子比特坍缩成比特，因此将更多电线投入量子处理器根本行不通。

研究人员对这个问题的解决方案是完全移除导线并使用称为介电谐振器的晶体棱镜从量子芯片上方施加磁控制场，该棱镜允许您同时控制所有量子位。

“首先，我们移除了量子位旁边的电线，然后想出了一种在整个系统中传递微波频率磁控制场的新方法，”普拉博士说。“所以原则上，我们可以提供多达 400 万个量子位的控制场。”

让大规模量子计算成为现实

“当 [Dr. Pla] 带着他的新想法来找我，”新南威尔士大学 Pla 博士的工程同事 Andrew Dzurak 教授说，他多年来一直致力于在硅芯片上实现量子逻辑。“我们立即着手研究如何将它与我的团队开发的量子位芯片集成。”

“当实验证明成功时，我们欣喜若狂，”他补充道，“如何控制数百万个量子位的问题一直困扰着我很长时间，因为它是构建全尺寸量子计算机的主要障碍。”

虽然这项研究可能被证明是迈向广泛、大规模量子计算的关键一步，但仍有许多工作要做。需要克服的挑战之一是，即使量子计算机可以计算量子位数量允许的尽可能多的结果，但实际上从这些相同的量子位中读取您想要的答案会导致与热或其他干扰相同的量子退相干。因此，即使量子计算机计算了所有可能的结果，您最终也只能访问其中一个。

“诀窍是巧妙地设计你的算法，以便你正在寻找的正确答案在计算结束时显示出来，同时仍然利用并行性，”普拉博士通过电子邮件告诉 TechRadar。“这就是为什么量子计算机只能(比经典计算机)更快地完成选择任务(例如分解大型复合素数，搜索未排序的数据库等)，因为很难设计出如此聪明的算法——不过，人们在这方面做得越来越好，而且越来越多。几乎每天都有有用的例子出现。”

其他工程挑战也需要解决，例如改进纠错，以便构建量子电路不需要那么多的量子位。

“注意到‘物理量子位’(即在我们的例子中是一个单电子自旋)和‘逻辑量子位’之间的区别非常重要，”普拉博士告诉我们。“如果你所有的物理量子位都可以被控制和测量到无限精度(根本没有错误)，那么你将拥有一台 400 万量子位的量子计算机，它几乎可以解决我们现在能想到的任何问题。

“然而，量子位有错误，这些错误在量子电路中增长得非常快。因此，你需要实施某种形式的纠错，其中量子位以量子位组进行编码(这称为量子纠错)。错误保护的量子位组被称为逻辑量子位。在组中需要多少量子位在很大程度上取决于系统，即量子位的连接程度和实际错误率。

“因此，例如，我们可能需要大约 1000 个物理量子位来生成可用于计算的有用逻辑量子位。这将 400 万个计数减少到 4000 个——这仍然非常有用。在那个水平上，你可以破解 2048 位数字加密，模拟复杂的化学过程，阐明蛋白质结构等。”

嗯，这是一个开始，如果不首先生产房间大小的ENIAC，我们就不会有现代信息时代，但希望我们不会再等太久，才能看到量子计算的潜力成为现实。