皮特将带领国际团队为量子计算机创造硬件

你怎样才能在一百万顶帽子里找到一只藏在里面的兔子呢?如果你使用现在的计算机程序，它会一次检查一百万顶帽子中的每一顶。

然而，匹茨堡大学物理与天文系助理教授谢尔盖·弗洛洛夫(Sergey Frolov)说，量子计算机“可以同时向所有100万顶帽子里窥视，看到兔子迈出了一步。”

量子计算机使用量子力学原理——简单地说，这是一个在原子水平上研究自然的领域。基于量子物理原理构建的计算机有潜力快速解决宇宙中一些最复杂的问题。而且不只是快，弗洛洛夫说。指数速度更快，这意味着如果没有它们，问题将无法在太阳死亡之前得到解决。但是执行这些快速的计算需要新的硬件。

在创造量子计算机的竞赛中，皮特领导着一个由大学、研究中心和公司组成的国际团队，寻找制造这些高速计算机的最佳材料。这项工作将得到美国国家科学基金会(NSF)国际研究与教育伙伴关系(PIRE)项目下480万美元的资助。物理学和天文学研究人员赫沃耶·佩特克(Hrvoje Petek)、迈克尔·哈特里奇(Michael Hatridge)和大卫·佩克(David Pekker)将与弗罗洛夫一起担任该项目的联合首席研究员。

皮特将领导与卡内基梅隆大学为期五年的合作;加州大学圣巴巴拉分校;来自国家科学研究中心的法国合作伙伴和粮食供应公司al ‘energie atomique等替代能源;以及行业合作伙伴微软研究院。这些小组将探索将混合材料——如铝半导体和硅超导体等完全不同的材料——组合成一个量子科学和技术的单一结构。PIRE项目将汇集材料工程师、表面科学家、计算化学家和物理学家，以及皮特大学各个层次的学生。研究人员也将有机会在法国进行研究。

“与机器人或医学研究相比，量子研究似乎是一个利基市场，但它可以对我们的信息技术产业产生范式转变的影响，同时，也可以改变我们对宇宙的看法，”Frolov说。

作为该项目的主要研究人员之一，Frolov将带领研究小组帮助开发量子计算机的部件。这位皮特的物理学家负责监督Frolov实验室，并在博客上介绍他的工作。

美国国家科学基金会、欧盟以及业界巨头谷歌、IBM、英特尔和微软都把量子计算的研究放在首位，Frolov说“这将开启基于量子叠加和纠缠原理的革命性计算能力。”(见边栏)。

研究一种不寻常的粒子

这个新项目还让该团队有机会在2012年荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)弗洛洛夫及其同事发现的一种不寻常粒子的基础上继续研究。弗洛洛夫当时是一名博士后，他是一个团队的成员，该团队创造了一种奇特的、以前从未见过的粒子——马约阿纳费米昂(Majorana fermion)，他的理论是，这种粒子可以帮助量子计算机更快地处理。他说:“这些粒子同时也是反粒子，所以它们把物质和反物质结合在同一个物体上。”

马约喇纳费米子在1930年代第一次理论物理学家埃托雷•马约喇纳,证明一个粒子能生活在物质和反物质之间的边界,这都是由于能量爆发像宇宙大爆炸一样,异国情调的后者是前者的镜像。Frolov和他的同事们是第一批生产这些粒子在实验室里,和他们的论文成就了著名的《科学》杂志的封面,2012年获得美国科学促进协会的2012年纽科姆克利夫兰奖,年度荣誉授予作者或者作者最好的研究出现在杂志上的文章或报告。

弗洛洛夫说:“从那以后，我们一直试图把我们的发现建立在更坚实的基础上。我们意识到，要做到这一点，我们需要发明新的材料，也就是混合材料。”“混合材料应该能让我们利用马约阿纳费米子用于量子计算机。”

量子信息本质上是脆弱的，因此量子计算机对材料的要求比传统计算机更加严格。这些混合材料可能以超导体和半导体“三明治”的形式出现。

超导体可以传输电信号而不产生损耗或发热。半导体被用于制造笔记本电脑、台式电脑、智能手机和平板电脑中的微芯片。Frolov说，这两种材料加在一起，就能制造出足够快、足够强大的计算机芯片来处理量子计算。

项目组还将研究晶体生长的影响。Frolov说，所有的计算机芯片都是晶体，这些晶体的质量限制了性能。正如植物从土壤中的种子生长出来一样，晶体也从种子中生长出来，种子被称为催化剂。在这种情况下，催化剂是只有人类头发百万分之一厚的金颗粒。研究人员将这些催化剂置于高温和化学物质中，以便为量子计算机生长晶体。

“皮特将领导为量子处理器量身定做的下一代材料的发现，”Frolov说。