微型量子计算机编辑本段回目录
微型芯片极小,放在某人的大拇指上就像一个小点。但一段时间以来,科学家一直在努力将之变得更小,达到原子级。这就是所谓的量子计算机,其数据处理速度能让如今最快的计算机相形见拙。但过去20年来的问题在于,它们太小、太脆弱,并且经常发生数据错误。如今,伦敦帝国理工学院的研究人员发现,建造量子计算机比想象的更加容易,因为这些错误其实并不是什么大问题。
肖恩·巴雷特(Sean Barrett)及其同事托马斯·斯泰斯博士(Thomas Stace)来自于澳大利亚布里斯班的昆士兰大学,他们编写了一种纠错代码,简言之相当于一种建筑规范。这种代码通过查看量子计算机的量子位(quantum bits,简称qubits)所提供的运算背景,来准确辨认丢失的信息。
具体解释如下:普通计算机处理的数据是存储于硅晶体的二进制数字,每个数字都处于0或1的“状态”。而量子位不同,因为量子物理的法则使得量子位可以同时处于0和1这两种状态。因此,超高速处理速度成为可能,量子计算的困难之处在于保持这些量子位不致丢失。
巴雷特和斯泰斯发现,量子计算机丢失量子位的严重性比先前认为的要小得多,即使1/4的量子位丢失也能工作。
巴雷特说道:“就像少了几个字母你也常常知道这是什么单词,或者电话不畅你也能明白对话主旨一样,我们将这种理念应用到量子计算机的设计中。”
巴雷特的研究目前完全处于理论阶段,但有些科学家已经成功建造出只包含了几个量子位的量子计算机。巴雷特表示,大多数科学家尝试用激光和微型芯片来建造这种量子计算机,他们通常在小型实验室里工作,团队人数不到10人,“与欧洲粒子物理研究所(CERN)相比,量子研究的成本相对较低。”
在建造量子计算机时,科学家可以使用被称为“光子”的轻粒子,也可以使用大量单原子甚至微小的电路板。比如,布里斯托尔大学的研究人员正围绕光子展开实验,将之纳入微型光纤。在激光捕捉器或离子捕捉器的帮助下,这些光纤被整合进集成芯片。
巴雷特表示,量子计算机的应用前景难以预测,它可能最先应用于药物科学,帮助科学家更好地理解微分子的化学性质。其他应用还包括密码破译。巴雷特说道:“政府对后者更感兴趣,而科学家对此兴趣较小。”
请参考《福布斯》记者安迪·格林伯格(Andy Greenberg)的文章《量子计算发展壮大》(Quantum Computing Gets Big)。
德造出微型寄存器量子计算机研制获进展编辑本段回目录
这种用来记录库比特(量子比特)的寄存器仅由五个铯原子构成--为了避免这些原子四处移动,它们都被保存在低温状态下。
制造微型寄存器所需的铯原子由特定频率的激光将它们集中放置在一个刻有沟槽的模板上。
在激光的照射下,上述每一个铯原子的移动情况可以被高灵敏度的摄像机记录下来。
这种单个原子的摄影技术本身也是一项巨大的成就。要知道,试验中铯原子之间的距离仅有几微米。
为了用这些原子来记录信息,研究人员还使用了永久性磁场和第二束激光(照射方向与前面提到的激光束垂直)。
在磁场的作用下,铯原子会对一定频率的激光束做出反应。这种反应与原子所处的状态有密切联系(物理学家将其比作能够被计算机所识别的“0”和“1”)。
在一定的参数变化配合下,研究人员可以用激光束将铯原子从“0”的位置上调整到“1”的位置。
有关铯原子的变化情况可通过数字摄像机记录下来。这样以来,便可“读取”铯原子记录到的有关信息。
在接下来的工作中,波恩大学的科学家们将利用相似的技术制造一种量子逻辑转换装置(功能与目前普通计算机中使用的相近)。预计这项工作将会持续两年的时间。
量子计算机概念提出30年 四种技术途径有望实现编辑本段回目录
1981年,美国物理学家理查德·费曼提出,人们能够研制出“遵循量子力学法则的微型计算机”。他认为,这样的量子计算机可能是模拟现实世界量子系统的最好方式。自那时起,各国科学家一直在马不停蹄地研制量子计算机,但结果始终不尽如人意。
不过,据美国《纽约时报》11月8日报道,科学界最近涌现出的一些进步重新点燃了科学家想方设法组建更强大的量子计算机的热情。在美国和欧洲的实验室中,科学家正在使用不同的技术研制计算能力超强的量子计算机。
基于微电子制造技术实现量子计算
其中最引人注目的是IBM(国际商用机器)公司的尝试,而其所依赖的正是耶鲁大学和加州大学圣巴巴拉分校过去几年在量子计算领域取得的进展。两个学校的研究团队分别将超导材料铼和铌铺展在一个半导体的表面,该半导体在被冷却到绝对零度左右时会表现出量子行为。这些科研成果表明,人们可以基于标准的微电子制造技术进行量子计算。
IBM公司的托马斯·沃森研究中心组建了一支庞大的研究团队,正在开展一项为期5年的研究项目。该公司科学家戴维·迪文森佐表示,IBM非常希望能在量子计算机领域取得重大突破。
使用量子纠缠来获取信息
量子计算机的基本元件是量子比特。传统计算机用电位高低表示0和1以进行运算,量子计算机则用原子的自旋等粒子的量子力学状态来表示0和1,称为量子比特。在量子效应的作用下,量子比特可以同时处于0和1两种相反的状态(量子叠加),这使量子计算机可以同时进行大量运算,比传统计算机快得多。
根据量子力学的基本原理,一个量子比特可以同时有两种状态;两个量子比特则可以同时表示4种状态;三个量子比特可以同时表示8种状态等等。随着量子比特数目的增加,其运算能力也呈指数级增加。
当然,这其中也面临着一定的困难。测量或者观测一个量子比特的行为可能会剥夺其计算潜力。于是,研究人员使用了量子纠缠来获取信息。在量子纠缠中,粒子被连接在一起,测量其中一个粒子的属性便可以直接揭示另一个粒子的相关信息,不管这两个粒子相距多远。但是,如何进一步高效地扩展纠缠的量子比特数目并让其维持这种纠缠状态,正是量子信息研究领域遭遇的严峻挑战。
耶鲁大学的罗布·舍尔科普夫表示,目前他们正在研发一种量子比特,其工作方式与集成电路的方式一样,这样,科学家就能够同时让多个量子比特处于纠缠状态。尽管量子比特的数量增加得很慢,研究人员控制量子交互作用的精确度已经提高了1000倍。
加州大学圣巴巴拉分校的研究人员表示,明年他们就能制造出计算能力翻倍的量子计算机。该校的约翰·马丁尼斯表示,他们现正在设计一个具有4个量子比特、5个谐振器的设备,并计划用这个标准的微电子组件来迫使量子发生纠缠。如果一切进行得很顺利,他们希望一年左右将该系统增加到8个量子比特和9个谐振器。
今年6月,日本东芝公司欧洲研发部和英国剑桥大学卡文迪什实验室的科学家们研制出了一款新颖的光源——纠缠态发光二极管(ELED)。