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量子计算:开启新的可能性领域

隐藏在我们日常世界之下——原子和亚原子粒子的无穷小尺度上——是一个奇怪而难以捉摸的领域。这是一个类似刘易斯卡罗的地方,在这里幽灵般的粒子忽进忽出,旋转的电子同时占据两个位置,物体具有双重性质——它们可以同时是波和粒子。

尽管这些概念看起来是不合理的,但是在过去的120年里,科学家们已经证明了这个领域——被称为量子力学——是我们物理存在的基础。它是现代科学中最成功的理论之一。没有它,我们就不会有原子钟、计算机、激光、led、全球定位系统和磁共振成像等诸多创新。

然而,在信息技术领域,我们可能最终欠量子力学最大的债。研究人员希望利用量子原理创造出一种超级强大的计算机,能够解决传统计算机无法解决的问题——从改善网络安全、模拟化学反应,到制定新药和提高供应链效率。这个目标可能会彻底改变计算的某些方面,并开辟一个充满技术可能性的新世界。

由于大学和行业研究中心的进步,一些公司现在已经推出了量子计算机的原型,但该领域在一些基本问题上仍然存在很大的开放空间,这些基本问题是关于量子技术实现其潜力所需的硬件、软件和连接的。普林斯顿大学(Princeton)的研究人员正在通过实验室的基础研究以及与行业合作伙伴的合作,绘制量子计算的未来。

“普林斯顿大学令人兴奋的地方在于,我们在基础科学和工程领域都拥有真正的专业知识,”电气工程教授安德鲁·霍克(Andrew Houck)说。“在这项研究的各个层面,我们都有世界领导人。”

这项新技术的基本组成部分是量子位,它是日常计算机用来表示信息的经典位的量子版本。一个经典位的值可以是0或1,将这些位连接成字符串使计算机能够表示诸如字母和数字之类的信息。

相比之下,量子位元可以同时有0或1的值。这种奇异的特性源于一个叫做叠加的量子概念,在这个概念中,一个物体可以同时以两种或两种以上的状态存在。如果把这个概念应用到日常生活中,就会导致所谓的“薛定谔的猫”悖论,即一只虚构的猫同时是活的和死的。

量子计算机利用量子位同时以不同的状态存在的能力。这意味着量子计算机可以同时考虑更多的信息,同时评估许多结果,从而以指数方式增加它们的计算能力。阅读量子位和相关术语的入门读本。

介绍普林斯顿量子计划

2019年9月,普林斯顿大学宣布成立普林斯顿量子计划(Princeton Quantum Initiative),以促进从基础量子研究到计算、传感器和通信等领域的应用等各个领域的探索和教育。

这一倡议的提出正值国家发展量子科学的势头。2018年,联邦政府建立了国家量子计划(National Quantum Initiative),以激励量子信息科学技术的研究和培训。普林斯顿计划将为研究生和博士后研究人员提供奖学金,为本科生提供研究和教育机会。

来自电气工程、物理、化学、计算机科学、机械和航天工程等多个系的30多名教师将参加这个新项目。这项计划将使新的研究合作跨校园,并与其他大学和行业。

该项目的首任负责人是电气工程教授安德鲁·豪克(Andrew Houck)。“我们在各自的学科领域都有一批令人难以置信的专家,”霍克说,“普林斯顿量子计划(Princeton Quantum Initiative)为我们提供了一个实体,把所有人聚集在一起,加快发现的步伐。”

寻求量子位元

在过去的三十年里,量子研究人员已经提出了几种制造量子位元的方法。量子位元的中心通常是一个非常小的粒子,例如原子、离子或电子,由于它的微小尺寸而显示出量子特性。

其中之一是超导量子比特或嬗变,它已经在IBM和谷歌的一些早期商业量子计算机原型中得到应用。嬗变是一种人造原子,由铌和铝等材料制成,在低温下可以毫无阻力地传导电流。这些材料被制成图案,形成一个像原子一样运动的小电路。量子位的状态,即量子0或量子1,是由人工原子中储存的能量来表示的。

然而,将这种量子态保持足够长的时间以使其发挥作用,是传递子和其他类型量子位的主要挑战之一。环境的影响,如振动、热和光可以破坏量子特性。这种“退相干”会使一个粒子在量子态中即使是很短的时间内都难以保持。

“量子态极其脆弱,”霍克说。“真正的进步是尽可能长时间地保持这些量子力学性质的‘活力’,这样你就可以在一切崩溃之前进行各种计算、传感或通信。”

为了应对这一挑战,Houck和他的团队正与IBM研究中心合作,通过构建更复杂的电路来加强传输,防止退相干。这将允许传送器保持几百微秒的量子状态,这段时间足够执行许多计算步骤,而且与以前的量子位技术相比,这是一个巨大的飞跃。

另一个制造量子位元的策略涉及到真实的原子。电气工程助理教授杰弗里·汤普森(Jeffrey Thompson)将原子冷却到极低的温度,并将它们困在真空室中。一旦分离出来,研究人员就可以利用被称为光镊的高度聚焦激光束来控制单个原子。然后,研究人员可以使用额外的激光信号来设置被捕获原子的能级,以表示量子0或1态。

“原子是非常好的量子位元,”汤普森说。“它们实际上很容易操作,使用激光很容易看到单个原子。”

还有一种量子比特依赖于电子,或者更具体地说,依赖于一种被称为自旋的电子固有的量子特性。自旋描述了电子的角动量,有时被比作陀螺的旋转运动,但它也类似于磁力,因为电子的自旋像磁铁一样可以指向下或向上,代表0和1的值。

电子工程教授Stephen Lyon是研究人员之一,他正在探索如何使自旋量子位元在相对较长的时间内处于叠加状态。他的团队通过一种叫做“硅-28”的高度提纯的硅来发射微波脉冲,以协调数百万电子的自旋。研究人员已经证明,他们可以将自旋量子位元叠加达10秒之久,这在量子领域是很长的一段时间。

为了实现量子计算的全部潜力,量子位不仅需要保持它们的量子态,而且还需要彼此共享信息。它们通过一种叫做纠缠的量子特性来做到这一点。

Schodinger's cat walks through an impossible door

像叠加一样,纠缠是一个令人困惑但却是基本的量子概念。它描述了两个粒子如何协同作用。两个或两个以上的量子粒子相互作用后,可以保持它们之间的联系或相互依赖。如果一个量子位以某种方式运作,它的纠缠的孪生就会以同样的方式运作,不管它们之间的距离有多远。他们可能在数百万英里之外,但行动仍然完全一致。自从上世纪30年代被发现以来,这个反直觉的概念经受住了无数挑战,使得阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)将纠缠定义为“幽灵般的远距离行为”。

通过纠缠量子位元,研究人员可以建立可以进行复杂计算的量子电路。尤金·希金斯(Eugene Higgins)物理学教授杰森·佩塔(Jason Petta)正在研究这个基于硅的自旋量子比特的挑战。单次旋转最长可达一分钟。与其他类型的量子位元相比,硅自旋量子位元可能更便宜,也更容易制造,虽然它们在发展上不如传送子,但由于最近的进步,它们正迅速赶上来。

佩塔的团队正在设计将电子自旋编码的信息从一个量子位元传递到另一个量子位元的方法——用他的话说,就是让电子“互相交谈”。他们通过将电子限制在称为量子点的硅小腔中来制造量子位。然后,研究人员可以对这些量子点施加强大的磁场,诱使它们将量子信息传递给光粒子或光子,这些光粒子充当信使,将信息传递给附近的其他量子点。这种策略已经被用于纠缠超导量子位,Petta小组证明这种方法也适用于自旋的量子位。

“这就像把一个电子和一个光子放在同一个房间里,”佩塔说。“你可以把一些自旋特性传递给在房间里四处飞行的光子,然后利用光子把信息传递给房间另一边的另一个自旋。”

产生量子位元的方式多种多样,突显了当今量子计算的状态。一个更长期的策略是用马约阿纳费米子制造量子位元,这是在特定条件下形成的类似粒子的物体。这些准粒子是在近一个世纪前预测出来的,最近在1909年的物理学教授阿里·亚扎达尼(Ali Yazdani)领导的实验中观察到了它们。这些准粒子的性质源于一种叫做拓扑学的数学分支,它描述了物体如何在不失去其固有性质的情况下被弯曲或拉伸。这种特性可以使这些拓扑量子位元更好地防止退相干。

哪种量子位元最终会成为未来量子计算产业的基础?根据里昂的说法,这是一个快速发展的领域,每个人都在犹豫,不知道哪个量子比特会是最好的。“有各种各样的技术,”他说,“简单的问题是,我们不知道哪一种最有效。”

量子网络

创造功能良好的量子位只是量子计算的一个方面。一个同样重要的目标是创建一个量子信息网络——一个量子互联网——它将比今天的互联网更加安全。电气工程助理教授Nathalie de Leon正在测试人造钻石作为存储和传输信息的设备的可行性。虽然钻石看起来可能是清澈无瑕的,但仔细检查就会发现一些非常不同的东西。

德莱昂说:“如果你把一颗钻石从地里拔出来仔细看看,你会发现它有很多小瑕疵。”这些缺陷赋予了钻石颜色,但事实证明,它们也可以存储和传输信息。

德莱昂和她的同事们发现,通过用一个硅原子代替两个碳原子,钻石中的这种特殊缺陷可以作为完美的容器来捕获光子。光子已经通过当今互联网的光纤传送信息,它们也可以用来传送量子信息。

德莱昂和她的团队正致力于将量子信息从光子传递到电子自旋,进一步的微调可以通过保持电子自旋在适当的方向上延长量子状态。

量子纠缠确保了这种新型互联网不受黑客攻击。任何对传输进行窃听的企图都会扰乱它的状态。通过比较传输的光子和它纠缠在一起的孪生光子,接收器可以知道窃听者是否破坏了传输。“只要物理定律正确,我们的频道就是安全的,”德莱昂说。

量子体系结构

现在已经有一些量子计算机在运行,也有一些可以通过云进行实验,但它们仍在进行中。一方面,这些计算机有数百个量子位元,而解决难题则需要数千甚至数百万个量子位元。另一个挑战是量子位元很难制造,而且有些量子位元的表现不符合预期,这就需要研究人员增加额外的量子位元来修正量子误差。

尽管量子计算机将能够解决我们目前无法解决的问题,但它们可能不会取代我们熟悉的计算机来完成日常任务。“我的笔记本电脑或手机里不会有量子计算机,”休·特朗布尔·亚当斯(Hugh Trumbull Adams) 35岁的计算机科学教授玛格丽特·马托诺西(Margaret Martonosi)说。“这是一套相当独特和狭隘的算法,量子计算机在这方面比传统计算机有优势。”

然而,有一种独特而狭窄的算法可以破解目前用于保护互联网信用卡交易的加密代码。潜在的对量子能量的滥用正推动着对新的量子密码方法的探索。

马尔托西是思考量子计算机如何从实验室原型过渡到实用功能设备的先驱之一。这一研究领域被称为计算机架构,涉及从量子计算机如何与现有技术交互到与量子系统兼容的软件类型等方方面面。

在今天的计算机中,软件起着协调和将位元转换成计算和结果的作用。这同样适用于量子计算。马托诺西和她的团队正在开发一种称为编译器的程序,它可以读取和翻译高级编程语言,达到计算机量子位的水平。

Cover of Discovery magazine

“我们的编译器使用先进的优化技术来开发性能更好的量子位,”她说。

她还在开发软件,以探索哪种算法最适合不同种类的量子位元,她对该领域的最新发展持乐观态度。“量子计算机中的每一个新的量子位元,如果它以一种理想的方式运行,实际上会使量子计算机的能力加倍,”马托诺西说。“这将比地球上最大的超级计算机更快、更好。这将是一个重要的里程碑。”

尽管拥有数百万量子位元的真正强大的量子计算机还需要数年的时间,但创造这一优势的技术已经越来越接近了。我们的知识已经发展到这样的程度:我们不仅要研究量子力学,而且要利用量子力学奇异而可怕的概念来开发大量的新能力。

量子比特动物园:量子词汇和术语

下面是量子计算概念和术语的简单入门。

量子比特。量子计算机使用量子位进行计算,而不是传统计算机中的数字位。量子位允许量子计算机考虑以前无法想象的大量信息。

叠加。量子物体可以同时处于一种以上的状态,薛定谔的猫描述了这种情况。例如,量子位可以同时表示值0和1,而经典位只能是0或1。

纠缠。当量子位元被缠结时,它们彼此之间会形成一种连接,不管它们之间的距离有多远,这种连接都不会消失。改变一个量子位元将会改变它的纠缠态孪生兄弟,这一发现甚至让爱因斯坦都困惑不已,他称纠缠态为“远距离的幽灵行为”。

类型的量子位。量子计算机的核心是量子位(qubit),这是一种信息的量子位,通常是由一个非常小的粒子构成,它表现出量子特性,而不是遵循支配我们日常生活的经典物理定律。若干种类的量子位元正在发展中:

  • 超导量子位,或称透射子。这些量子位由超导电路制成,已经在谷歌、IBM和其他公司制造的原型计算机中使用。
  • 被困的原子。被激光捕获的原子可以表现为量子位。被捕获的离子(带电原子)也可以作为量子位。
  • 硅自旋量子比特。一项很有前途的技术涉及到在硅腔中捕获电子来操纵一种叫做自旋的量子特性。
  • 拓扑量子位。在相当早期的发展中,存在于某些物质中的被称为马略阿纳费米子的准粒子有可能被用作量子位。

这篇文章最初发表在该大学的年度研究杂志《发现:普林斯顿的研究》上。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.princeton.edu/news/2020/01/21/quantum-computing-opening-new-realms-possibilities