IBM超导量子计算机破记录

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作者：熔桓　发稿时间：2012-02-29 13:32:27
IBM超导量子比特的制备，是以硅为基质，采用铝和铌超导体进行，两个超导电极处于氧化铝绝缘体之间。

今天的量子计算机仅仅是实验。研究人员可以串起少数量子比特，就是看似神奇的比特位，它存储“1”和“0”是在同一时间，这些稍纵即逝的创作，可以运行相对简单的运算。但IBM新的研究表明，更为复杂的量子计算机已为时不远。

采用三个量子比特的芯片，IBM为更大的量子计算机奠定了基础。
来源：IBM
本周二，IBM公司透露，有些物理学家，在纽约约克镇高地（Yorktown Heights,）沃森研究中心（Watson Research Center）取得重大进展，创造出“超导量子比特”，这属于几个研究领域，最终会带来一种量子计算机，性能呈指数倍增长，胜过今天的经典计算机。
马蒂亚斯•斯特芬（Matthias Steffen）负责蓝色巨人（Big Blue）的量子计算的实验组，他和他的小组提高了超导量子比特的性能，提高两到四倍。“这意味着，我们可以真正开始考虑更大的系统，”他说，“把这些量子比特放在一起，可进行更大的纠错。”
大卫•迪文森佐（David DiVincenzo）是德国西部量子信息研究所余利希研究中心（Jülich Research Center）教授，他和以前的同事伊夫•斯特芬（If Steffen）也认为，IBM的新的研究不仅仅是一个里程碑。“现在，这些指标首次达到必要的水平，可以开始升级量子计算，使它更加复杂，”他说。“我认为，我们很快就会看到整体量子计算模块，而不是只有两个或三个量子比特实验。”
你办公桌上的电脑遵循经典物理学定律，也就是日常世界的物理学，而量子计算机触及令人费解的量子力学性能。在经典计算机中，晶体管存储一个单一的“比特”信息。例如，如果晶体管是“打开”的，它就存储一个“1”。“如果它关闭”，它就存储一个“0”。但是，在量子计算机中，信息呈现为一个系统，它可以同时存在两种状态，这是因为量子力学的叠加原理（superposition principle）。这样的量子比特可以同时存储“0”和“1”。
例如，信息可存储为电子自旋。“向上”自旋代表“1”。“向下”自旋代表“0”。在任何给定的时间，这个自旋可以同时既向上又向下。“这个概念在古典世界几乎没有类似的情形，”斯蒂芬说。“这几乎就像是说，我可以既在这里又在你那里，而且是在同一时间。”

然后，如果你把两个量子比特放在一起，那它们就可以存储四个值：00，01，10和11。你增加越来越多的量子比特，就可以建立一个系统，性能成指数倍增长，胜过经典计算机。比如说，你就可以破解世界上最强的加密算法，只需要几秒钟。IBM指出，有250个量子比特的量子计算机，会包含更多的比特位，数量超过宇宙中的粒子。
但制作量子计算机是不容易的。这个想法首次提出是在80年代中期，我们仍然处于试验阶段。麻烦的是，量子系统这么容易“脱散”，就是从两个同时存在的状态下降到只有一个单一的状态。你的量子比特位会非常迅速地成为普通的经典比特位。

马蒂亚斯•斯特芬和大卫•迪文森佐等研究人员的目标，就是要制成一些系统，以解决这个脱散问题。在IBM公司，斯特芬和他的小组的研究，是基于一种现象，称为超导性。从本质上讲，如果你把某些物质冷却到非常低的温度，它们就会表现出零电阻。斯特芬把这描述为某种东西，类似循环闭合电路，在其中，电流可以在同一时间流向两个方向。顺时针电流代表“1”，逆时针代表“0”。
IBM量子比特的制备，是在硅基质上进行，使用铝和铌（niobium）超导体。从本质上讲，两个超导电极处于绝缘体之间，这种绝缘体也就是所谓的约瑟夫森结（Josephson junction），属于氧化铝。诀窍在于，要保持量子系统不会消相干，时间要尽可能长。如果你能使量子比特保持量子态，时间足够长，斯蒂芬说，那你就可以制成所需的纠错系统，从而运行可靠的量子计算机。

阈值大约是10至100微秒，据斯特芬说，他的小组现在已经做到了这一点，采用的是一种“三维”量子比特，所采取的方法，最初是美国耶鲁大学（Yale University）的研究人员介绍的。十年前，消相干时间更接近一纳秒。换句话说，在过去的十多年中，研究人员已经使超导量子比特性能提高了1万多倍。
IBM小组也制作了一个“受控非门”（controlled NOT gate），采用的是传统的二维量子比特，这意味着，他们可以改变一个量子比特的状态，只需要依赖另一个量子比特的状态。这也是必要的，可以制成实用的量子计算机，斯特芬说，在95％的时间，他的小组可以成功改变这种状态，这是因为消相干时间大约是10微秒。

“所以，不仅是我们单个设备的性能非常好，”他解释说，“我们演示的两个量子比特的设备是一种基本逻辑门，也足够好，至少可接近所需的阈值，制成实用的量子计算机。我们还没有到达那里，但我们正在到那里。”
结果是，研究人员现在准备制成一个系统，可以跨越几个量子比特。“接下来的瓶颈是，如何使这些设备更佳。这个瓶颈就是如何把五个或十个这样的量子比特放在一个芯片上，”斯蒂芬说，“该设备的性能足够好，现在就可以做到这一点。问题是：“你怎么把它都放一起？”
现在，它的三维超导量子比特可以延长每个量子比特的量子状态，使持续时间达到100微秒，这一时间对于你我而言是很短的，但对于电脑而言，就相当于一生的时间，这种电脑理论上可以知道一切。他们的论文，题为《超导量子比特波导腔相干时间接近0.1毫秒》（Superconducting qubit in waveguide cavity with coherence time approaching 0.1ms），还有一篇是《完整通用量子门设置接近容错阈值采用超导量子比特》（Complete universal quantum gate set approaching fault-tolerant thresholds with superconducting qubits），昨天演示后都已散发，IBM希望，科学家们现在可以集中力量研究纠错方案，进一步改善这种技术。部分启示是，IBM制作这种量子比特，采用了传统商用芯片的制造技术：这意味着，如果突破最后的障碍，那就有可能大规模生产这种技术，可以非常迅速地上规模。IBM公司估计，再用10到15年，我们就可以有可靠的量子计算机。