「量子計算機」即將到來？

07-05

量子處理器

或許，傳說中的量子計算機就要來了。

IBM官方報道，該公司研發人員在量子計算機的技術方面取得了重大進展，他們實現了在減少基本運算誤差的同時，保持量子比特的穩定性。研發人員用傳統工藝製作出硅晶元，把這些晶元進行超導處理，使得將數以百萬計的量子比特維持更長時間尺度的穩定狀態成為可能。該技術有望被直接用於製作新型計算機。

量子計算機最早是由美國物理學家理查德·費曼在上世紀60年代提出，但最初它的優點並未被意識到，在很長一段時期內一直處於理論的狀態。直到1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾證實了量子計算機能完成對數運算，而且速度遠勝普通計算機。這是因為量子不像半導體只能記錄0與1，它還可以同時記錄多種狀態。如果把半導體計算機比成單一樂器，量子計算機就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況。因此，一個40位元的量子計算機，就能解開1024位元的電子計算機花上數十年解決的問題。

量子計算機「看上去很棒」，但它所面臨的技術挑戰也十分困難。量子計算機在運算過程中極易產生量子脫散，即周圍環境的熱量、電磁輻射和承載量子比特材料本身的缺陷很容易導致計算誤差。如脫散問題相當顯著，就算計算速度再快也只是南轅北轍，永遠得不到自己想要的計算結果。克服這個問題要做到兩點：良好的晶元材料以及有效的糾錯機制。

超導材料良好的熱、電性能使它很有希望作為量子計算機的晶元材料。因此，IBM研究人員很早就將目光放在超導量子比特上。不久前，IBM在耶魯大學對一個獨特的三維超導量子比特裝置進行了實驗，結果使量子態持續的時間延長到了100微秒（1微秒等於百萬分之一秒），是此前紀錄的2到4倍。

在另外一組實驗中，IBM的研究小組演示了一個更為傳統的二維量子比特裝置，執行一次2量子比特邏輯運算。這種運算是更大規模的量子計算系統的基本構成。實驗結果顯示，運算的成功率達到95%。

這些漂亮的數據表明，一個穩定的量子計算系統已被構建完成。「我們做的量子計算研究表明，它不再僅僅是個引人注目的計算的物理實驗。現在就可以根據該成果去製作新的計算系統，由此將把高性能計算推向一個全新高度。」 IBM的量子團隊負責人馬蒂亞斯·史蒂芬說道。

高性能計算機是量子計算機最重要的一個應用之一。目前世界上很多國家都致力於開發超大規模高性能計算機，但它需要消耗大量電力，而量子計算機在解決同樣的問題時使用時間、存儲空間以及消耗能量都要小得多。量子計算機的另外一個重要用途是模擬量子系統，這是傳統計算機無法勝任的。

近年來，量子計算機發展十分迅速，分析人士預測，按目前這種趨勢下去，10年內將出現實用型量子計算機。目前，美國的洛斯阿拉莫斯和麻省理工學院、IBM、和斯坦福大學、武漢物理教學所、清華大學四個研究組已實現7個量子比特量子演算法演示。

據報道，加拿大D-Wave系統公司宣布研製成功16位量子比特的超導量子計算機（尚未經科學檢驗），如果他們是誠信的，這個工作的意義就非常重大。或許，可實際應用的量子計算機會在幾年內出現，量子計算機的時代真的要開始了！

隨後，德國於利希研究中心發表公報：德國超級計算機成功模擬42位量子計算機，該中心的超級計算機JUGENE成功模擬了42位的量子計算機，在此基礎上，研究人員首次能夠仔細地研究高位數量子計算機系統的特性。