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大型量子計算機呼之欲出
2020-07-04 00:00 科技日報 

    英國薩塞克斯大學日前發布消息說,該校科學家領銜的國際團隊設計了一份有關如何建造大型量子計算機的技術藍圖,各國科學家可在這一技術架構下合作開發性能強大的通用量子計算機,藍圖發表在近日出版的《科學進展》雜誌上。

    大型量子計算機新標杆

    據英國《自然》雜誌報道,設計者們表示,希望通用量子計算機模型機的功能非常強大,可以破解當前無法解決的重大難題,如對極大數進行分解等。這台計算機占地可超過一個足球場,耗資至少1億英鎊(約合8.6億元人民幣),有望成為量子計算機領域的“高富帥”。

    研究領導者、薩塞克斯大學量子物理學家韋菲爾德·海森格說:“這台計算機的確‘體形龐大’‘身價不菲’,但它現在絕對能被製造出來。”

    澳大利亞新南威爾士大學量子物理學家安德烈·莫瑞洛指出,科學家此前提出了各種製造量子計算機的設計思路,最新想法麵臨極大挑戰。但他強調,新想法雄心勃勃且方法新穎,因此不容小覷,“我真的認為,這是一幅標杆性的藍圖,極具前瞻性,將在業界產生積極影響”。

    用離子製造量子比特

    傳統計算機使用比特0和1來處理信息,但量子計算機使用量子比特(Qubit)來處理信息。一個比特的狀態是唯一的,而量子比特可以有多個狀態,允許同一時刻兩個狀態的疊加。研究人員認為,“量子疊加”這一“秘密武器”最終或可使量子計算機的處理能力和速度比傳統計算機獲得極大的提升。量子計算機如果開發成功,將在密碼破譯等方麵發揮巨大作用。

    目前,全球有多個團隊致力研製量子計算機,但迄今為止,大多數設計隻有數十個量子比特。要想進行有用的計算,比如找到大數的質因子,可能需要數千個量子比特。

    在最新論文中,海森格團隊建議,使用被磁場捕獲的離子來製造量子比特,這一技術已被物理學家們鑽研了20多年。美國馬裏蘭大學帕克分校物理學家克裏斯托弗·門羅解釋稱,用這一技術製造量子計算機所必需的大多數元件,已被科學家們證明和展示,“業界需要一個係統工程方法來簡化量子計算機的製造過程”。

    從理論上說,在最新設計藍圖中,數千個和手差不多大小的正方形模塊被結合在一起,可製造出任意大小的量子計算機。在每個模塊中,約2500個被捕獲的離子量子比特被磁場懸浮起來,“保護”它們脆弱的量子狀態不受幹擾。為了執行計算,離子會以X型網格的形式穿梭運動,同它們的“鄰居”發生糾纏。

    新機器速度快能力強

    據研究人員介紹,這台量子計算機並不使用激光器來控製每個被捕獲的離子,而計劃使用微波輻射場來控製量子比特,並使用電場來調諧量子比特同微波輻射場之間的相互作用。另外,他們還計劃使用液氮讓係統保持冷卻狀態。

    海森格說,離子會在芯片之間跳來跳去以在模塊之間傳輸信息,這一技術比使用光波和光纖傳輸信號快10萬倍以上。每個模塊都可取代,並能借助傳統電子工業領域內的技術用矽製造出來。

    海森格介紹說,如果想要為一個長達617位的數字找到質因子,今天的傳統計算機無法做到,但新量子計算機使用20億個量子比特離子、曆時110天可以解決這一問題,這一技術將使研究人員能破解今天最好的密碼係統。

    其實從理論上講,為了進行這一計算,隻需要4096個量子比特,但鑒於現有的離子捕獲技術並不太好,錯誤率比較高,所以需要20億個離子。降低量子比特的錯誤率或許能大大減少計算機的尺度——將其縮小到僅一個大型房間大小。

    盡管如此,該團隊仍然麵臨著巨大的技術挑戰,包括如何製造強磁場坡度,如何精確地控製量子比特等。

    (科技日報北京2月5日電)

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