量子計(jì)算機(jī)在一些棘手的問(wèn)題上能夠保證快速的解決，但是制造大規(guī)模的，通用的量子設(shè)備是一個(gè)充滿技術(shù)挑戰(zhàn)的問(wèn)題。
到目前為止，許多研究小組創(chuàng)建了很多小的但具有功能的量子計(jì)算機(jī)。通過(guò)結(jié)合少數(shù)幾個(gè)原子，電子或超導(dǎo)結(jié)，研究人員現(xiàn)在能夠經(jīng)常展示量子效應(yīng)和運(yùn)行簡(jiǎn)單的量子算法——致力于解決特定的問(wèn)題的小程序。
但這些實(shí)驗(yàn)室設(shè)備往往只能固定運(yùn)行一個(gè)程序或量子成分之間相互作用的有限的固定模式。制造一個(gè)可以運(yùn)行任意算法的量子計(jì)算機(jī)需要正確的物理系統(tǒng)和一套編程工具。被附近電極的電場(chǎng)限制住的原子性離子是滿足這些需求的最有前途的平臺(tái)之一。
在8月4日出版的《自然》雜志的一篇封面文章中，與馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所(JQI)和量子信息和計(jì)算機(jī)科學(xué)聯(lián)合中心成員Christopher Monroe一起合作的研究人員提出了第一個(gè)完全可編程和可重新配置的量子計(jì)算機(jī)模塊。這個(gè)新的裝置，因?yàn)槠渚哂信c自身的復(fù)制品相連接的潛力所以被稱為一個(gè)模塊，其利用離子阱所提供的獨(dú)特性質(zhì)來(lái)在五個(gè)量子比特(或稱為qubit——量子計(jì)算機(jī)中的基本信息單位)上運(yùn)行任何算法。
“對(duì)于任何一臺(tái)有用的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，用戶不應(yīng)該需要知道內(nèi)部是什么，”Monroe說(shuō)。“很少有人關(guān)心他們的蘋果手機(jī)在物理層面上實(shí)際在做什么。我們的實(shí)驗(yàn)將高品質(zhì)的量子比特帶到了更高層次的功能性，讓它們可以在軟件里進(jìn)行編程和重新配置?！?/p>
該新模塊是建立在幾十年來(lái)關(guān)于捕獲和控制離子的研究基礎(chǔ)上的。其使用標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，但也引進(jìn)了新的控制和測(cè)量方法。這包括使用一個(gè)緊密聚焦的激光束陣列來(lái)一次性操縱多個(gè)離子，以及提供用于觀察每個(gè)離子的輝光的檢測(cè)通道。
“這些類型的發(fā)現(xiàn)就是國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)物理學(xué)前沿中心計(jì)劃想要支持的，”美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的物理學(xué)分部主任Jean Cottam Allen說(shuō)?！斑@項(xiàng)工作處在量子計(jì)算的前沿，它有助于奠定基礎(chǔ)，并使實(shí)用量子計(jì)算更接近現(xiàn)實(shí)?！?/p>
該團(tuán)隊(duì)用三個(gè)已知可以被量子計(jì)算機(jī)迅速求解的問(wèn)題的小型實(shí)例來(lái)測(cè)試了他們的模塊。具有用不同的問(wèn)題來(lái)測(cè)試模塊的靈活性是一個(gè)重大的進(jìn)步，Shantanu Debnath說(shuō)，他是聯(lián)合量子研究所的研究生以及本論文的第一作者。“通過(guò)直接連接任何量子比特對(duì)，我們可以重新配置系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)任何算法，”Debnath說(shuō)?！半m然這只是五個(gè)量子比特，但是我們知道如何將同樣的方法運(yùn)用到更大的集合中去?！?/p>
盡管在該模塊的內(nèi)部還是有一些東西不是量子的：一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)著驅(qū)動(dòng)量子邏輯門——量子算法的基本單元——的激光脈沖的最佳形狀。這些形狀是用普通計(jì)算機(jī)提前計(jì)算好的，然后該模塊用軟件來(lái)將算法翻譯成數(shù)據(jù)庫(kù)中的脈沖。
把這些碎片拼在一起
每一個(gè)量子算法由三個(gè)基本成分組成。首先，量子比特被預(yù)設(shè)在一個(gè)特定的狀態(tài);然后，他們經(jīng)過(guò)一系列的量子邏輯門;最后，量子測(cè)量提取出算法的輸出結(jié)果。
該模塊使用不同顏色的激光來(lái)執(zhí)行這些任務(wù)。一種顏色的光使用一種被稱為光泵浦的技術(shù)來(lái)準(zhǔn)備離子，在這個(gè)過(guò)程中每個(gè)量子比特會(huì)被照射直到其處于合適的量子能態(tài)。在過(guò)程結(jié)束時(shí)這個(gè)相同的激光還會(huì)幫助讀出每個(gè)原子性離子的量子態(tài)。在這之間，另一個(gè)單獨(dú)的激光會(huì)轟擊離子以驅(qū)動(dòng)量子邏輯門。
這些邏輯門就像是使普通計(jì)算機(jī)能夠工作的開(kāi)關(guān)和晶體管。在這里，激光推動(dòng)離子并將其內(nèi)部量子比特的信息耦合到它們的運(yùn)動(dòng)中，從而使模塊中的任何兩個(gè)離子能夠通過(guò)其強(qiáng)大的電斥力進(jìn)行相互作用。整個(gè)鏈上的兩個(gè)離子通過(guò)這種相互作用來(lái)互相通知對(duì)方，就像在“牛頓擺”中抬起和釋放其中一個(gè)球能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)移到另一邊去。
激光束的可重新配置性是一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)，Debnath說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)將算法簡(jiǎn)化為一系列推動(dòng)相應(yīng)的離子的激光脈沖，我們可以從外部重新配置這些量子比特之間的線路，”他說(shuō)。“這變成了一個(gè)軟件問(wèn)題，其他的量子計(jì)算架構(gòu)沒(méi)有這種靈活性?！?/p>
為了測(cè)試這個(gè)模塊，該團(tuán)隊(duì)運(yùn)行了三個(gè)不同的量子算法，包括演示量子傅里葉變換(QFT)，其會(huì)找出一個(gè)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)重復(fù)的次數(shù)有多頻繁。這是Shor量子分解算法的一個(gè)關(guān)鍵部分，如果其運(yùn)行在一個(gè)足夠大的量子計(jì)算機(jī)上的話，將會(huì)破解一些目前在互聯(lián)網(wǎng)上最廣泛使用的安全標(biāo)準(zhǔn)。
其中兩個(gè)算法成功運(yùn)行了超過(guò)90%的時(shí)間，而量子傅里葉變換突破了70%的成功率。該研究團(tuán)隊(duì)說(shuō)，這是由于脈沖整形邏輯門的殘余誤差以及計(jì)算過(guò)程中累積的系統(tǒng)誤差造成的，這兩個(gè)誤差在根本上都不是無(wú)法逾越。他們指出，量子傅里葉變換算法需要所有可能的量子比特對(duì)邏輯門，其應(yīng)該是最復(fù)雜的量子計(jì)算之一。
該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，最終更多的比特——也許多達(dá)100個(gè)——可以添加到他們的量子計(jì)算機(jī)模塊中。將單獨(dú)的模塊鏈接在一起也是可能的，無(wú)論是通過(guò)物理上移動(dòng)離子還是通過(guò)使用光子來(lái)在它們之間攜帶信息。
雖然該模塊只有五個(gè)量子比特，但是其靈活性使得其能夠編寫以前從來(lái)沒(méi)有運(yùn)行過(guò)的量子算法，Debnath說(shuō)。這些研究人員目前正在研究在一個(gè)模塊上運(yùn)行具有更多量子比特的算法，包括作為由美國(guó)情報(bào)先進(jìn)研究計(jì)劃(Intelligence Advanced Research Projects Activity,IARPA)資助的一個(gè)項(xiàng)目的一部分的量子糾錯(cuò)例程示范。