科學家距離功能齊全的量子計算機更近了一步

量子計算通過提供更快，更高效的處理器，傳感器和通信設備，具有革新技術，醫(yī)學和科學的潛力。

但是在量子系統(tǒng)內(nèi)傳遞信息和糾正錯誤仍然是制造高效量子計算機的挑戰(zhàn)。

在《自然》雜志上的一篇論文中，普渡大學和羅切斯特大學的研究人員，包括物理學助理教授約翰·尼科爾，羅切斯特博士的學生Yadav P. Kandel和喬海峰，通過轉(zhuǎn)移狀態(tài)來展示他們傳遞信息的方法。電子。這項研究使科學家們朝著創(chuàng)建功能齊全的量子計算機邁出了一步，這是羅切斯特為更好地理解量子行為和開發(fā)新型量子系統(tǒng)而采取的行動的最新例證。大學最近從能源部獲得了400萬美元的贈款，用于研究量子材料。

量子計算機根據(jù)量子力學的原理進行操作，量子力學是一套獨特的規(guī)則，適用于極小的原子和亞原子粒子。當以這些尺度處理粒子時，許多控制經(jīng)典物理學的規(guī)則不再適用，并且量子效應出現(xiàn)了。量子計算機能夠執(zhí)行復雜的計算，分解非常大的數(shù)字，并以傳統(tǒng)計算機無法達到的水平模擬原子和粒子的行為。

量子計算機有潛力通過在分子水平上模擬物質(zhì)在異常條件下的行為來提供對物理和化學原理的更多了解。這些模擬對于開發(fā)新能源，研究行星和星系的狀況或比較可能導致新藥療法的化合物可能有用。

Nichol說：“您和我是量子系統(tǒng)。我們體內(nèi)的粒子服從量子物理學。但是，如果您嘗試計算體內(nèi)所有原子發(fā)生的事情，您將無法在常規(guī)計算機上做到這一點。” “量子計算機可以輕松地做到這一點。”

量子計算機還可以為更快的數(shù)據(jù)庫搜索和加密打開大門。

Nichol說：“事實證明，幾乎所有現(xiàn)代加密技術都是基于常規(guī)計算機分解大量數(shù)據(jù)的極端困難。” “量子計算機可以輕松分解大量數(shù)據(jù)并破壞加密方案，因此您可以想象為什么許多政府對此感興趣。”

比特VS。量子比特

普通計算機由數(shù)十億個稱為位的晶體管組成。另一方面，量子計算機基于量子位，也稱為量子位，可以由單個電子制成。與可以為“ 0”或“ 1”的普通晶體管不同，量子位可以同時為“ 0”和“ 1”。單個量子位占據(jù)這些“疊加狀態(tài)”(同時處于多個狀態(tài))的能力是量子計算機巨大潛力的基礎。但是，就像普通計算機一樣，量子計算機需要一種在量子位之間傳輸信息的方法，這帶來了重大的實驗挑戰(zhàn)。

尼科爾說：“量子計算機需要具有許多量子比特，而且它們的制造和操作確實非常困難。” “目前最先進的技術僅用幾個量子位就可以完成某件事，因此距離實現(xiàn)量子計算機的全部潛力還有很長的路要走。”

所有計算機，包括常規(guī)計算機和量子計算機以及智能手機等設備，都必須執(zhí)行錯誤校正。普通計算機包含位的副本，因此，如果位之一變質(zhì)，則“其余位將獲得多數(shù)表決”并修復錯誤。但是，量子位不能被復制，尼科爾說：“所以你必須非常聰明地糾正錯誤。我們在這里所做的是朝這個方向邁出的一步。”

操縱電子

量子糾錯要求各個量子位與許多其他量子位相互作用。這可能很困難，因為單個電子就像條形磁鐵一樣，其北極和南極可以指向上方或下方。極的方向(例如，北極是向上還是向下)被稱為電子的磁矩或量子態(tài)。

如果某些種類的粒子具有相同的磁矩，則它們不能同時在同一位置。即，處于相同量子態(tài)的兩個電子不能彼此重疊。

尼科爾說：“這是由金屬制成的便士之類的東西不會自行崩塌的主要原因之一。” “電子之所以將自身推開，是因為它們不能同時處于同一位置。”

如果兩個電子處于相反的狀態(tài)，則它們可以彼此重疊。令人驚訝的結(jié)果是，如果電子足夠接近，它們的狀態(tài)將及時來回交換。

尼科爾說：“如果一個電子上升，另一個電子下降，然后在適當?shù)臅r間內(nèi)將它們推在一起，它們就會交換。” “他們沒有切換位置，但是他們的狀態(tài)切換了。”

為了消除這種現(xiàn)象，Nichol和他的同事將半導體芯片冷卻到極低的溫度。他們使用量子點-納米級半導體-連續(xù)捕獲四個電子，然后移動電子，使它們接觸并切換狀態(tài)。

尼科爾說：“有一種簡單的方法可以在兩個相鄰電子之間切換狀態(tài)，但是要在很長的距離上進行轉(zhuǎn)換(在我們的例子中是四個電子)，需要大量的控制和技術技能。” “我們的研究表明，這現(xiàn)在是一種長距離發(fā)送信息的可行方法。”

第一步

在不移動電子位置的情況下，在一個量子位陣列之間來回傳輸電子狀態(tài)，提供了一個驚人的例子，說明了量子物理學為信息科學所提供的可能性。

普渡大學物理與天文學教授邁克爾·曼夫拉(Michael Manfra)表示：“該實驗表明，可以在不實際傳輸單個電子自旋的情況下傳輸量子態(tài)信息。” “這是顯示信息如何以量子力學方式傳輸?shù)闹匾徊?，其方式與我們的經(jīng)典直覺使我們相信的方式完全不同。”

Nichol將此比喻為從第一批計算設備到當今計算機的步驟。也就是說，我們總有一天會用量子計算機代替臺式計算機嗎?Nichol說：“如果您在1960年代問IBM問題，他們可能會說不，這是不可能的。” “那是我現(xiàn)在的反應。但是，誰知道呢?”