本報(bào)記者 劉 霞 綜合外電

英國(guó)薩塞克斯大學(xué)日前發(fā)布消息說(shuō)，該?？茖W(xué)家領(lǐng)銜的國(guó)際團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一份有關(guān)如何建造大型量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)藍(lán)圖，各國(guó)科學(xué)家可在這一技術(shù)架構(gòu)下合作開(kāi)發(fā)性能強(qiáng)大的通用量子計(jì)算機(jī)，藍(lán)圖發(fā)表在近日出版的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

大型量子計(jì)算機(jī)新標(biāo)桿

據(jù)英國(guó)《自然》雜志報(bào)道，設(shè)計(jì)者們表示，希望通用量子計(jì)算機(jī)模型機(jī)的功能非常強(qiáng)大，可以破解當(dāng)前無(wú)法解決的重大難題，如對(duì)極大數(shù)進(jìn)行分解等。這臺(tái)計(jì)算機(jī)占地可超過(guò)一個(gè)足球場(chǎng)，耗資至少1億英鎊（約合8.6億元人民幣），有望成為量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的“高富帥”。

研究領(lǐng)導(dǎo)者、薩塞克斯大學(xué)量子物理學(xué)家韋菲爾德·海森格說(shuō)：“這臺(tái)計(jì)算機(jī)的確‘體形龐大’‘身價(jià)不菲’，但它現(xiàn)在絕對(duì)能被制造出來(lái)。”

澳大利亞新南威爾士大學(xué)量子物理學(xué)家安德烈·莫瑞洛指出，科學(xué)家此前提出了各種制造量子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思路，最新想法面臨極大挑戰(zhàn)。但他強(qiáng)調(diào)，新想法雄心勃勃且方法新穎，因此不容小覷，“我真的認(rèn)為，這是一幅標(biāo)桿性的藍(lán)圖，極具前瞻性，將在業(yè)界產(chǎn)生積極影響”。

用離子制造量子比特

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用比特0和1來(lái)處理信息，但量子計(jì)算機(jī)使用量子比特（Qubit）來(lái)處理信息。一個(gè)比特的狀態(tài)是唯一的，而量子比特可以有多個(gè)狀態(tài)，允許同一時(shí)刻兩個(gè)狀態(tài)的疊加。研究人員認(rèn)為，“量子疊加”這一“秘密武器”最終或可使量子計(jì)算機(jī)的處理能力和速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)獲得極大的提升。量子計(jì)算機(jī)如果開(kāi)發(fā)成功，將在密碼破譯等方面發(fā)揮巨大作用。

目前，全球有多個(gè)團(tuán)隊(duì)致力研制量子計(jì)算機(jī)，但迄今為止，大多數(shù)設(shè)計(jì)只有數(shù)十個(gè)量子比特。要想進(jìn)行有用的計(jì)算，比如找到大數(shù)的質(zhì)因子，可能需要數(shù)千個(gè)量子比特。

在最新論文中，海森格團(tuán)隊(duì)建議，使用被磁場(chǎng)捕獲的離子來(lái)制造量子比特，這一技術(shù)已被物理學(xué)家們鉆研了20多年。美國(guó)馬里蘭大學(xué)帕克分校物理學(xué)家克里斯托弗·門(mén)羅解釋稱，用這一技術(shù)制造量子計(jì)算機(jī)所必需的大多數(shù)元件，已被科學(xué)家們證明和展示，“業(yè)界需要一個(gè)系統(tǒng)工程方法來(lái)簡(jiǎn)化量子計(jì)算機(jī)的制造過(guò)程”。

從理論上說(shuō)，在最新設(shè)計(jì)藍(lán)圖中，數(shù)千個(gè)和手差不多大小的正方形模塊被結(jié)合在一起，可制造出任意大小的量子計(jì)算機(jī)。在每個(gè)模塊中，約2500個(gè)被捕獲的離子量子比特被磁場(chǎng)懸浮起來(lái)，“保護(hù)”它們脆弱的量子狀態(tài)不受干擾。為了執(zhí)行計(jì)算，離子會(huì)以X型網(wǎng)格的形式穿梭運(yùn)動(dòng)，同它們的“鄰居”發(fā)生糾纏。

新機(jī)器速度快能力強(qiáng)

據(jù)研究人員介紹，這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)并不使用激光器來(lái)控制每個(gè)被捕獲的離子，而計(jì)劃使用微波輻射場(chǎng)來(lái)控制量子比特，并使用電場(chǎng)來(lái)調(diào)諧量子比特同微波輻射場(chǎng)之間的相互作用。另外，他們還計(jì)劃使用液氮讓系統(tǒng)保持冷卻狀態(tài)。

海森格說(shuō)，離子會(huì)在芯片之間跳來(lái)跳去以在模塊之間傳輸信息，這一技術(shù)比使用光波和光纖傳輸信號(hào)快10萬(wàn)倍以上。每個(gè)模塊都可取代，并能借助傳統(tǒng)電子工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)用硅制造出來(lái)。

海森格介紹說(shuō)，如果想要為一個(gè)長(zhǎng)達(dá)617位的數(shù)字找到質(zhì)因子，今天的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法做到，但新量子計(jì)算機(jī)使用20億個(gè)量子比特離子、歷時(shí)110天可以解決這一問(wèn)題，這一技術(shù)將使研究人員能破解今天最好的密碼系統(tǒng)。

其實(shí)從理論上講，為了進(jìn)行這一計(jì)算，只需要4096個(gè)量子比特，但鑒于現(xiàn)有的離子捕獲技術(shù)并不太好，錯(cuò)誤率比較高，所以需要20億個(gè)離子。降低量子比特的錯(cuò)誤率或許能大大減少計(jì)算機(jī)的尺度——將其縮小到僅一個(gè)大型房間大小。

盡管如此，該團(tuán)隊(duì)仍然面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括如何制造強(qiáng)磁場(chǎng)坡度，如何精確地控制量子比特等。