[红蓝3D] IBM在量子计算机领域取得重大突破

robert

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发表于 2012-3-3 08:28:01 |只看该作者 |倒序浏览

IBM研究院的科学家在提高量子计算装置性能方面取得重大进展，他们实现了在减少基本运算误差的同时保持量子比特的量子机械特性完整性，从而加快了研制全尺寸实用量子计算机的步伐。量子计算机利用物质的量子机械行为，计算能力将超过目前任何一台超级计算机。如下图是IBM的3D超导量子比特装置，一个量子比特（长度大约1毫米）悬浮在小型蓝宝石芯片的空腔中央。这个空腔由一个装置的两半闭合后形成，测量是通过向连接器传递微波信号进行。空腔的宽度大约在1.5英寸（约3.81 厘米）左右。对于单个量子比特演示来说，这个装置的尺寸似乎有点大。研究小组表示这一系统可以按比例放大，容纳数百或者数千个量子比特

计算机技术的革命

量子比特的特性允许量子计算机一次进行数百万项计算，250量子比特所包含的比特数超过宇宙内的原子数量。量子计算机能够利用这种特性进行敏感信息的加密和解密，进而对数据加密领域产生深远影响。IBM的研究小组长期致力于研发能够解决现实问题的量子计算系统，量子计算机的潜在应用包括搜索由非结构化信息构成的数据库，进行任务最优化和解决此前无法解答的数学问题。现在的计算机能理解的基本信息单位是比特，1比特只有两个值，“1”和“0”。对于量子比特来说，它们的值除了可以是“1”或“0”外，还可以让两个值同时存在。这种特性被称之为“迭加”，允许量子计算机一次进行数百万项计算。

消除量子脱散是关键

科学家面临的一大挑战是控制或者消除量子脱散，也就是热量、电磁辐射和材料缺陷等干扰因子导致的计算误差。为了寻找减少误差以及延长量子比特保持机械特性时间的方式，科学家进行了多年实验。如果能够在足够长的时间内保持机械特性，并且找到有效的纠错手段，量子计算机便可长时间进行复杂运算。IBM的研究方向是超导量子比特，如下图，一个硅芯片中容纳3个量子比特。这个芯片倒装在印刷线路板上，通过丝焊（8×4毫米）连接I/O同轴电缆。最近IBM对一个独特的3D超导量子比特装置进行了实验，实验在耶鲁大学进行。研究人员利用一个3D量子比特延长量子比特保持量子态的时间——达到100微秒，是此前纪录的2到4倍。根据IBM的研究，科学家如能够找到有效的纠错手段，就可以转向量子比特计算装置可升级性涉及的工程学问题。在其他实验中，IBM的研究小组演示了一个更早的二维量子比特装置，执行一次2量子比特逻辑运算：“控制非”运算。实验运算的成功率达到95%，部分归功于较长的相干时间，接近10微秒。

挑战艰巨前景乐观

实用价值的量子计算机虽然离我们仍很遥远，不过科学家正快速取得进展，前景非常乐观。在研制量子比特计算装置过程中，IBM在核心装置的技术和性能方面取得一系列令人吃惊的成就，性能自2009年中期以来从最初的100倍提高到现在的1000倍，距离科学界确定的全尺寸量子计算机所需满足的最低要求已经非常接近。由于IBM取得的研究突破，对超导量子比特和未来研制量子计算机的乐观情绪快速高涨。迄今为止，这一领域的大部分工作都旨在如何提高计算装置性能。现在，科学家也必须将目光聚焦系统集成，评估针对纠错的信息处理需求、I/O问题、可行性以及升级成本。

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