向量子計算機邁進兩大步——關於量子計算機

這種設備能夠解決極度費時傷神的問題,甚至最強大的超級電腦也無法解決這樣的問題。而它能夠輕松解決。它就是量子力學的神奇魔力造就的量子計算機,雖然這種想法剛剛起步,但絕非憑空想象。

來自哈佛大學和位於德國的馬普研究所量子光學的兩支研究隊伍,剛剛宣佈他們能夠為未來的量子計算機獨立制造模塊。在《自然》雜志裡,有文章稱科學傢發現瞭一種捕捉原子和光子的方法,創造一種新的轉換器和邏輯門,以及量子版的連接結構,該結構能在連接電腦裡的數據點。

量子計算機

從電路上看,所有的現代電腦基本如出一轍,用簡單的規則排佈大量的數據鏈接。每一節數據稱作一個節點,用一個0或1.表示一塊信息碎片,你可以把節點想象成一個電燈泡,要麼燈亮,要麼燈滅。

但量子理論,這門統治原子和分子微觀世界的物理學告訴我們,在某個情況下,一個物體可能在同時是兩種物質。有可能一個原子同時向兩個相反的方向旋轉,甚至電燈可能同時是亮的或者是熄滅的。一個物體有著這樣兩種奇怪的狀態,這種現象被稱為重合。(物理學傢奈爾斯波爾曾說道,第一次接觸量子物理的人,有可能理解不瞭,如果很困惑,請不要著急,波爾曾是量子理論的創始人之一)。

最重要的一點是(有很多)重合的狀態是微弱的,隻在極小的物質節點裡才存在。

但是,對於電腦來說,這種想法萌生出瞭一個有趣的領域。如果你能收集這種奇怪的物質狀態,將一個個信息節點帶入重合狀態。你的節點可以顯示出0或1,或是二者的組合。這就叫量子節點,或量子位。如果量子位像正常的節點在電腦裡那樣連接起來,那麼你就能使你的電腦用一種瘋狂的極速來進行計算。



哈佛大學研究團隊領頭人米克海爾陸金說:“就這點來說,世界上隻有很少的一部分量子電腦。”粗略估計,我們能夠進行連接起12個量子位。但是該團隊面臨的最大挑戰是使這些系統模式化,以集中更多的量子位。

陸金解釋道,增加更多的量子位的難點在於,這種重合狀態的微弱性。除非整個量子電腦存在於一個極度低溫的條件下,同時免受外界分子或者是聲音的幹擾,否則重合的狀態會全部消失,並損壞電腦。更大的一個難點在於,當今的量子位必須一個緊挨著一個排列連接,這需要動用大型的儀器,實驗室器材和激光來維持物質裡的某個斑點的重合狀態。這就給整個系統帶來瞭更大的麻煩,整個量子電腦癱瘓的風險也就更大瞭。

馬普研究所的量子光學研究團隊領頭人格哈德來普說:“在不幹擾其它量子位的情況下,定位一個量子位非常困難。比如用激光照射一個特定的量子位。”而且例如,如果你想用一萬個量子位,那麼,你就得時刻關註一萬條激光。

OL門以及轉換器

新的量子邏輯門和轉換器為解決其中某些難題帶來瞭希望。二者都采用瞭新的方法:它們都收集被捕獲的原子(在兩種情況下都用銣)能夠通過光子傳遞信息,光子也就是構成光的分子。光子能夠通過光電電纜傳輸,是遠距離傳輸信息的主要介質,也能分隔量子位。

下面介紹它的工作原理:科學傢在兩層類鏡面層之間,捕獲瞭一個重銣原子並使用激光技術使該原子保持相對靜止,然後,科學傢們向該原子直接發射一個光子。一般來說,光子會擊中第一層鏡面,然後反彈至初始位置。但是如果該原子被放在一個特定的能量環境中,光子就會直接穿透第一層鏡面,與原子一同運動片刻,然後出現在初始位置。隨著漸逝的現象發生,光子在極點也有細微的改變。這就是轉換器在一臺電腦裡的工作過程。如果打開開關,那麼該事物就運轉。如果關閉,那麼另一個事物就開始。

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在量子邏輯門中,也有著相似的現象發生。一個常規邏輯門僅僅是一系列的轉換器集中地排列著,當有大量輸入的情況下,它們就運行一個邏輯動作。德國團隊通過將大量的光子重復地彈射離鏡面,在銣原子的重合狀態下,創造瞭一個量子板塊。然後,使用另一個物理學量子位分支,叫做糾纏轉移。科學傢們之所以用它,是因為這些光子攜帶著同樣的信息。這些糾纏著的光子能夠滿足任何邏輯門的大量輸入要求。

即使有著新進展,我們仍然離建立大型量子電腦的目標很遙遠。其中包含瞭數萬計的量子位節點。哈佛大學研究團隊的一名物理學傢傑夫湯姆森說:“十年之內,我們不指望讓每一個美國傢庭都能用上量子電腦,或者類似的產品。”

萊普說這種技術,在解決量子近位難題上有著較大幫助。兩個團隊都不會準備嘗試連接多重量子位。但是這些努力可能會開啟一扇通往未知的大門。

盡管如此,馬裡蘭大學的一名物理學傢傑克佈泰勒說“看到這種以光子為基礎的技術,非常令人興奮。”該名物理學傢並未參加該項目。他還說,不管未來的困難有多大,科學傢們正研究著關於物理學基柱的寶貴信息。我們現今所知量子力學的知識,讓我們堅信,大型的量子電腦在理論上是可行的。但是即使“你不能建造一臺大型的量子電腦,那麼,也是一件令人興奮的事。因為這意味著量子力學在某個方面也許是不完善的,說明該領域還有待挖掘。”

via:Popular Mechanics

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