在加拿大温哥华举行的美国科学促进会（AAAS）2012年年会上，科学家公布了一系列与量子计算相关的新研究结论。英国杂志网站近日对此进行了报道，并表示，虽然量子计算领域已经取得了一定的成就，但距离量子计算真正进入实用阶段还有很长的路要走。
量子计算机的秘密武器：叠加与纠缠
一方面，量子效应对于现代电子学非常重要，它可以使晶体管变得非常小；但另一方面，量子效应也是一个令人烦恼的“调皮鬼”，因为电子的位置是不确定的。变化，使晶体管内的电子简单地从一个地方消失并重新出现在另一个地方，导致电流泄漏并导致信号衰减。
然而，一些科学家看到了机会。他们相信，在量子尺度上发生的一些奇怪的事情可以被利用，让人们以新的、更快的方式进行计算，并发送至少在理论上不可能拦截的信息。几个感兴趣的科研小组希望建造量子计算机来解决当前计算机无法解决的问题，例如寻找数百位数字的质因数或扫描大型数据库。这些研究计划和成果在美国科学促进会年会上公布。
科学家这些努力的核心是量子叠加和量子纠缠这两种量子力学现象。普通数字计算机以位的形式操纵信息，位的值要么是1，要么是0。在计算机中，不同的电流和电压分别代表1和0，这与电子的电荷有关。电荷是所有电子的固定特性，每个电子都具有相同数量的电荷。但电子还具有其他特征，例如自旋，其方向可以表示为“向上”、“向下”或模糊的“既向上又向下”。这种既上又下的状态称为叠加，叠加可以用来构造量子力学中的比特量子位（qubit）。
与此同时，纠缠将粒子结合在一起以添加更多的量子位。在量子机器中，每增加一个量子位，它可以同时执行的操作就会增加一倍。这就是量子计算机具有强大计算能力的“秘密”。例如，2个纠缠量子位可以执行4个操作； 3 个量子位可以执行 8 种运算，依此类推。那么，一台拥有 300 个量子位的计算机可以同时执行的操作比可见宇宙中的原子还要多。叠加和纠缠不稳定
然而遗憾的是，这样的机器对于我们来说仍然是“羚羊挂角，不留痕迹”。纠缠和叠加是非常微妙的事情，即使是最轻微的扰动也会导致“量子比特”失去这种相干性，导致它们的神奇属性消失。为了构建一台可用的量子计算机，量子位必须变得更加灵活并且更容易恢复一致性，但到目前为止，这方面的进展还很有限。
1995年，科学家首次在实验室实现了量子计算。此后，一个科研团队成功纠缠了 14 个量子比特。纪录保持者是来自德国因斯布鲁克的科研团队。他们使用了一种称为离子陷阱的设备，并允许以不同能态的铷原子叠加形式存在的量子位出现。纠缠。加拿大滑铁卢大学的雷蒙德·拉弗莫尔 (Raymond Lavermore) 及其同事成功地使用相同的技巧来纠缠 12 个量子位，将特定原子纠缠在一个称为组氨酸的氨基酸分子内。酸的特性使其成为此类实验的理想选择。
这些方法的问题在于它们不易升级和扩展。离子阱位于大型真空室内，无法轻易缩回。此外，组氨酸分子仅包含有限数量的合适原子，因此科学家一直在寻找更实用的量子位。
他们每个人都有独特的技巧来创建稳定的量子位
此问题的一个潜在解决方案是在半导体内蚀刻量子位。前哈佛大学教授、现哥本哈根大学教授查尔斯·马库斯一直在尝试利用电子自旋来实现这一目标。由单个电子制成的量子位很快就会失去相干性，因此他的研究团队决定使用两个电子来制造一个量子位，他们称之为“量子点”，这是一种微小的半导体晶体（Maku 使用的半导体是砷化镓）。当两个这样的量子点彼此靠近时，电子可以被捕获在一个量子点中，以喷射并与另一个量子点中的相邻电子结合。两个电子自旋的叠加创建了一个量子位。 。
到目前为止，Marcus 的团队已经成功地将四个量子位组合在一起，并使用一组敏感技巧将它们的寿命延长到 10 微秒，足以执行简单的任务。代数运算，代数运算是计算的命脉。他们希望通过使用硅或碳来进一步延长其寿命，这些材料的原子核对纠缠电子的干扰比砷化镓要少。此外，约翰·马蒂尼斯（John Martinis）和加州大学圣巴巴拉分校的同事正在尝试利用超导电路创建量子位。在超导体中，电子不会单独传播；相反，由于复杂的量子力学原因，它们成对出现（并且出于同样的原因，成对之间没有电阻）。当它们成对运动时，这对电子的行为就像单个粒子，这导致了叠加的趋势。例如，这种“超粒子”实际上可以同时向两个方向移动，当一对电子移动时，它们会产生磁场。然后，通过创造一个超导闭环，科学家获得了一个可以同时指向上和下的磁场。马蒂尼斯团队现在已经成功地纠缠了五个这样的超导量子位。
Martinis 团队还使用了一组称为谐振腔的设备，将信息从电路传输到单个光子，并将光子捕获在腔内几微秒。换句话说，他们创造了一种量子存储设备。几微秒听起来很短，但足以执行许多基本操作。
前路漫漫又艰辛
上述所有方法的问题在于它们所依赖的量子态非常脆弱并且容易出错。确保他们可以使用量子位执行计算的一种方法是使用多个量子位而不是一个量子位对相同的信息进行编码。因此，马库斯、马蒂尼斯和洛夫莫尔必须在他们的系统中构建一些额外的量子位。因此，对于每次计算所需的每个“逻辑”量子位，都有几个其他物理量子位，所有这些都需要纠缠。
微软研究院的 Michel Friedman 正在尝试寻找另一种方法来解决这个问题。他和他的同事正在建造他们所谓的拓扑量子计算机，该计算机使用一层锑化铟超导体，并在这种奇异材料的顶部使用超导体。当给这个系统施加电压时，整个系统就变成了一个可以以叠加态存在的量子系统。
弗里德曼量子位和马蒂尼斯量子位之间的区别在于它们对干扰的响应方式。在马蒂尼斯的量子系统中，激发超导电路中的任何电子，整个系统就会失去相干性。然而，弗里德曼的设计不会受到这种局部破坏的影响，因为它以特殊的方式将能量分布在整个锑化铟中。到目前为止，微软团队还没有制造出可用的量子位，但他们希望尽快做到这一点，并且他们正在寻找其他材料来重复相同的实验。
所有这些研究都是非常基础的研究。研究人员距离建造大型量子计算机还有很长的路要走，更不用说台式计算机了。马蒂尼斯认为，开发出可用的量子处理器还需要10年的时间。不过，他表示，上述研究表明，科学家或多或少是在不断进步的。20年前，当他进入这个领域时，他认为建造一台量子计算机几乎是一项不可能完成的任务；现在，他说，“这是一项非常困难的工作。”
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