量子計算機(jī)在一些棘手的問題上能夠保證快速的解決，但是制造大規(guī)模的，通用的量子設(shè)備是一個充滿技術(shù)挑戰(zhàn)的問題。
到目前為止，許多研究小組創(chuàng)建了很多小的但具有功能的量子計算機(jī)。通過結(jié)合少數(shù)幾個原子，電子或超導(dǎo)結(jié)，研究人員現(xiàn)在能夠經(jīng)常展示量子效應(yīng)和運(yùn)行簡單的量子算法——致力于解決特定的問題的小程序。
但這些實驗室設(shè)備往往只能固定運(yùn)行一個程序或量子成分之間相互作用的有限的固定模式。制造一個可以運(yùn)行任意算法的量子計算機(jī)需要正確的物理系統(tǒng)和一套編程工具。被附近電極的電場限制住的原子性離子是滿足這些需求的最有前途的平臺之一。
在8月4日出版的《自然》雜志的一篇封面文章中，與馬里蘭大學(xué)聯(lián)合量子研究所(JQI)和量子信息和計算機(jī)科學(xué)聯(lián)合中心成員Christopher Monroe一起合作的研究人員提出了第一個完全可編程和可重新配置的量子計算機(jī)模塊。這個新的裝置，因為其具有與自身的復(fù)制品相連接的潛力所以被稱為一個模塊，其利用離子阱所提供的獨(dú)特性質(zhì)來在五個量子比特(或稱為qubit——量子計算機(jī)中的基本信息單位)上運(yùn)行任何算法。
“對于任何一臺有用的計算機(jī)來說，用戶不應(yīng)該需要知道內(nèi)部是什么，”Monroe說。“很少有人關(guān)心他們的蘋果手機(jī)在物理層面上實際在做什么。我們的實驗將高品質(zhì)的量子比特帶到了更高層次的功能性，讓它們可以在軟件里進(jìn)行編程和重新配置?！?/p>
該新模塊是建立在幾十年來關(guān)于捕獲和控制離子的研究基礎(chǔ)上的。其使用標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)，但也引進(jìn)了新的控制和測量方法。這包括使用一個緊密聚焦的激光束陣列來一次性操縱多個離子，以及提供用于觀察每個離子的輝光的檢測通道。
“這些類型的發(fā)現(xiàn)就是國家自然科學(xué)基金會物理學(xué)前沿中心計劃想要支持的，”美國國家科學(xué)基金會的物理學(xué)分部主任Jean Cottam Allen說?！斑@項工作處在量子計算的前沿，它有助于奠定基礎(chǔ)，并使實用量子計算更接近現(xiàn)實?！?/p>
該團(tuán)隊用三個已知可以被量子計算機(jī)迅速求解的問題的小型實例來測試了他們的模塊。具有用不同的問題來測試模塊的靈活性是一個重大的進(jìn)步，Shantanu Debnath說，他是聯(lián)合量子研究所的研究生以及本論文的第一作者。“通過直接連接任何量子比特對，我們可以重新配置系統(tǒng)來實現(xiàn)任何算法，”Debnath說?！半m然這只是五個量子比特，但是我們知道如何將同樣的方法運(yùn)用到更大的集合中去?！?/p>
盡管在該模塊的內(nèi)部還是有一些東西不是量子的：一個數(shù)據(jù)庫存儲著驅(qū)動量子邏輯門——量子算法的基本單元——的激光脈沖的最佳形狀。這些形狀是用普通計算機(jī)提前計算好的，然后該模塊用軟件來將算法翻譯成數(shù)據(jù)庫中的脈沖。
把這些碎片拼在一起
每一個量子算法由三個基本成分組成。首先，量子比特被預(yù)設(shè)在一個特定的狀態(tài);然后，他們經(jīng)過一系列的量子邏輯門;最后，量子測量提取出算法的輸出結(jié)果。
該模塊使用不同顏色的激光來執(zhí)行這些任務(wù)。一種顏色的光使用一種被稱為光泵浦的技術(shù)來準(zhǔn)備離子，在這個過程中每個量子比特會被照射直到其處于合適的量子能態(tài)。在過程結(jié)束時這個相同的激光還會幫助讀出每個原子性離子的量子態(tài)。在這之間，另一個單獨(dú)的激光會轟擊離子以驅(qū)動量子邏輯門。
這些邏輯門就像是使普通計算機(jī)能夠工作的開關(guān)和晶體管。在這里，激光推動離子并將其內(nèi)部量子比特的信息耦合到它們的運(yùn)動中，從而使模塊中的任何兩個離子能夠通過其強(qiáng)大的電斥力進(jìn)行相互作用。整個鏈上的兩個離子通過這種相互作用來互相通知對方，就像在“牛頓擺”中抬起和釋放其中一個球能夠?qū)⒛芰哭D(zhuǎn)移到另一邊去。
激光束的可重新配置性是一個關(guān)鍵的優(yōu)勢，Debnath說?！巴ㄟ^將算法簡化為一系列推動相應(yīng)的離子的激光脈沖，我們可以從外部重新配置這些量子比特之間的線路，”他說?！斑@變成了一個軟件問題，其他的量子計算架構(gòu)沒有這種靈活性?！?/p>
為了測試這個模塊，該團(tuán)隊運(yùn)行了三個不同的量子算法，包括演示量子傅里葉變換(QFT)，其會找出一個給定的數(shù)學(xué)函數(shù)重復(fù)的次數(shù)有多頻繁。這是Shor量子分解算法的一個關(guān)鍵部分，如果其運(yùn)行在一個足夠大的量子計算機(jī)上的話，將會破解一些目前在互聯(lián)網(wǎng)上最廣泛使用的安全標(biāo)準(zhǔn)。
其中兩個算法成功運(yùn)行了超過90%的時間，而量子傅里葉變換突破了70%的成功率。該研究團(tuán)隊說，這是由于脈沖整形邏輯門的殘余誤差以及計算過程中累積的系統(tǒng)誤差造成的，這兩個誤差在根本上都不是無法逾越。他們指出，量子傅里葉變換算法需要所有可能的量子比特對邏輯門，其應(yīng)該是最復(fù)雜的量子計算之一。
該研究團(tuán)隊認(rèn)為，最終更多的比特——也許多達(dá)100個——可以添加到他們的量子計算機(jī)模塊中。將單獨(dú)的模塊鏈接在一起也是可能的，無論是通過物理上移動離子還是通過使用光子來在它們之間攜帶信息。
雖然該模塊只有五個量子比特，但是其靈活性使得其能夠編寫以前從來沒有運(yùn)行過的量子算法，Debnath說。這些研究人員目前正在研究在一個模塊上運(yùn)行具有更多量子比特的算法，包括作為由美國情報先進(jìn)研究計劃(Intelligence Advanced Research Projects Activity,IARPA)資助的一個項目的一部分的量子糾錯例程示范。