從原理上得出“量子計(jì)算會(huì)無(wú)比強(qiáng)大”的結(jié)論

宏大的工程挑戰(zhàn)往往需要巨大的耐心。這對(duì)于量子計(jì)算來(lái)說(shuō)是千真萬(wàn)確的。經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的20年，如今我們已經(jīng)從原理上得出“量子計(jì)算會(huì)無(wú)比強(qiáng)大”的結(jié)論。量子計(jì)算機(jī)在短短幾分鐘內(nèi)就能解決普通計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)天文級(jí)的時(shí)間才能夠計(jì)算出的問(wèn)題。但是，制造這種機(jī)器的工作幾乎還沒(méi)有越過(guò)起跑線。事實(shí)上，我們?nèi)栽谠噲D尋求最佳的構(gòu)建材料。

候選材料都相當(dāng)奇特：由鋁等材料印刷出來(lái)并冷卻到0.01開爾文的超導(dǎo)電路；盤旋在芯片之上、用激光處理過(guò)的浮動(dòng)離子；以及截留在金剛石基體中的氮或其他原子。

這些材料都曾被用來(lái)制造最基本的演示系統(tǒng)，使用幾個(gè)量子比特對(duì)較小的數(shù)字進(jìn)行分解或?qū)虘B(tài)材料的一些行為進(jìn)行模擬。但這些各異的量子處理元素正面臨著來(lái)自一種絕對(duì)俗套的材料的激烈競(jìng)爭(zhēng)：傳統(tǒng)的硅。

作為潛在的量子計(jì)算材料，硅的興起相當(dāng)緩慢，但研究結(jié)果讓它成為了領(lǐng)先的競(jìng)爭(zhēng)者。加拿大本那比市西蒙菲莎大學(xué)的一個(gè)研究組與我們?cè)趥惗卮髮W(xué)學(xué)院的研究小組證明了在室溫下硅材料可維持量子比特狀態(tài)39分鐘，在低溫下可保持3小時(shí)。這按照量子計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)就相當(dāng)于永恒了（其他系統(tǒng)可維持狀態(tài)的時(shí)長(zhǎng)通常以毫秒或更小的單位計(jì)算），而這正是制造具備通用功能、超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)、可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模計(jì)算的量子計(jì)算機(jī)所需的那種穩(wěn)定性。

作為硅的忠實(shí)粉絲，我們都深受鼓舞。50年來(lái)，硅促進(jìn)了傳統(tǒng)計(jì)算穩(wěn)步而快速的發(fā)展。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)穩(wěn)步獲利的時(shí)代可能即將結(jié)束了，但是量子計(jì)算機(jī)的制造讓這一材料的前景更為光明。硅可能會(huì)迎來(lái)它的“第二春”，起碼會(huì)像第一次一樣炫目。

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量子計(jì)算機(jī)是什么？簡(jiǎn)單地說(shuō)，它就是一個(gè)依據(jù)量子力學(xué)定律存儲(chǔ)并處理信息的系統(tǒng)。這意味著在實(shí)際中，其基本計(jì)算組件——更不用說(shuō)這些組件的運(yùn)作方式——與當(dāng)今我們能聯(lián)想到的傳統(tǒng)計(jì)算形式有很大差別。

雖然聽起來(lái)很奇怪，但在量子世界中，一個(gè)物體可以同時(shí)以兩種不同的狀態(tài)存在——這種現(xiàn)象被稱為疊加。這意味著，與普通的比特不同，一個(gè)量子比特（或量子位）可以處于一種復(fù)雜的狀態(tài)，同時(shí)是0和1。只有當(dāng)你對(duì)量子位進(jìn)行測(cè)量時(shí)，它才會(huì)被迫取兩個(gè)值中的一個(gè)。

當(dāng)一個(gè)量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行邏輯運(yùn)算時(shí)，它會(huì)同時(shí)處理量子位狀態(tài)的所有可能組合。這種大規(guī)模并行計(jì)算的方式被認(rèn)為是量子計(jì)算機(jī)能夠快速運(yùn)算的原因。但通常人們只對(duì)這些計(jì)算中的一個(gè)子集感興趣。對(duì)量子計(jì)算機(jī)最終狀態(tài)的測(cè)量只會(huì)給你一個(gè)隨機(jī)的答案，可能是也可能不是理想的解決方案。編寫實(shí)用的量子算法的關(guān)鍵在于排除不想要的答案，這樣你就能留下恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)果了。

目前有一家公司出售所謂的“量子計(jì)算”機(jī)器。這家公司是位于加拿大本那比地區(qū)的D-Wave系統(tǒng)公司。D-Wave公司的算法實(shí)現(xiàn)與研究人員對(duì)于量子計(jì)算的常規(guī)認(rèn)識(shí)有些偏差。實(shí)際上，對(duì)于量子力學(xué)的本質(zhì)以及量子計(jì)算機(jī)的潛力還存在很多討論。

多數(shù)研究者們追求的是一種通用的量子計(jì)算機(jī)，它要能夠運(yùn)行任何量子或傳統(tǒng)的算法。這種計(jì)算機(jī)不會(huì)在所有方面都勝過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。但對(duì)于某些特定的應(yīng)用，它會(huì)非常有效。一個(gè)迅速引起情報(bào)部門關(guān)注的應(yīng)用是，它能夠以高于最好的傳統(tǒng)算法指數(shù)倍的速度對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分解。它能夠在短時(shí)間內(nèi)破解今天的計(jì)算機(jī)無(wú)法有效破解的加密代碼。另一個(gè)有前途的領(lǐng)域是，它能夠高速且非常逼真地模擬量子力學(xué)系統(tǒng)，如分子的行為。這對(duì)于藥物和材料的研發(fā)可能是一大福音。

要構(gòu)建一臺(tái)能夠運(yùn)行上述及其他量子算法的通用量子計(jì)算機(jī)，你需要的第一個(gè)東西就是基本的運(yùn)算元素：量子比特。原則上，任意物體，只要滿足量子物理學(xué)定律且能夠處于疊加狀態(tài)，都可用于模擬量子比特。

由于量子行為通常在微小的物體中最為明顯，因此多數(shù)天然的量子位都是微小的物體，如電子、單個(gè)原子核或光子。任何可以取兩個(gè)值的屬性，都可用于量子信息編碼，例如光的偏振或在某一個(gè)特定位置電子的存在與否。一個(gè)較為可行的方案是自旋。自旋是一個(gè)相當(dāng)深?yuàn)W的屬性：它反映了一個(gè)粒子的角動(dòng)量（即使沒(méi)有發(fā)生物理上的旋轉(zhuǎn)），也反映了物體的固有磁性。在電子和原子核中，自旋都可以指向上或向下，以表示1或0，或者它也可以在兩種狀態(tài)中疊加存在。

也有可能從人造結(jié)構(gòu)中得到宏觀量子位——如果它們能夠被冷卻到量子行為可以出現(xiàn)的溫度。一種流行的結(jié)構(gòu)是磁通量子比特，它是由超導(dǎo)線圈的載流回路構(gòu)建的。這些可以以微米為單位測(cè)量的量子位，放大了量子的奇異之處：當(dāng)一個(gè)磁通量子比特的狀態(tài)是疊加的時(shí)候，電流會(huì)同時(shí)在回路的正反兩個(gè)方向上流動(dòng)。

D-Wave公司使用的量子位是基于超導(dǎo)回路的。這些量子位被連接在一起，構(gòu)造出了有別于通用量子計(jì)算機(jī)的機(jī)器。該公司采用了一種名為絕熱量子計(jì)算的方法，其中量子位被設(shè)置為初始狀態(tài)，隨后“放松”達(dá)到最佳配置。盡管這種方法可被用來(lái)快速地解決某些優(yōu)化問(wèn)題，但D-Wave公司的計(jì)算機(jī)不能執(zhí)行并實(shí)現(xiàn)任意算法。

雖然大型的通用量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走，但我們已經(jīng)基本掌握了它的幾種構(gòu)建方法。最直接的方法是采用被稱為柵極模型的計(jì)算模型。這種模型采用了一系列的“通用柵極”來(lái)連接量子比特群，使它們能夠按需進(jìn)行互動(dòng)。與固定邏輯電路的傳統(tǒng)芯片不同，這些柵極可以被用于配置和重新配置量子位之間的關(guān)系，以建立不同的邏輯運(yùn)算。如XOR和NOT等可能是我們熟悉的，但其中很多邏輯運(yùn)算我們并不熟悉。這些邏輯運(yùn)算是在一個(gè)復(fù)雜的空間運(yùn)行的，每個(gè)量子位的狀態(tài)都可以取任何一個(gè)連續(xù)范圍內(nèi)的值。但計(jì)算的基本流程與傳統(tǒng)電路大致相同：邏輯柵極控制信息流動(dòng)的方式，而量子位的狀態(tài)隨著程序的運(yùn)行而變化。之后，通過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)來(lái)讀出結(jié)果。

另一個(gè)更為奇特的想法被稱為團(tuán)簇態(tài)模型，這一模型以一種不同的方式運(yùn)作。這里，計(jì)算是僅通過(guò)觀測(cè)行為來(lái)執(zhí)行的。首先，使每個(gè)量子位與其相鄰的量子位“糾纏”。糾纏是一種量子力學(xué)現(xiàn)象，其中兩個(gè)或更多的粒子（例如電子）共享一個(gè)量子態(tài)，并且測(cè)量一個(gè)粒子會(huì)影響與其糾纏的伙伴的行為。在團(tuán)簇態(tài)方法中，程序?qū)嶋H上是通過(guò)以特定的順序、沿特定的方向測(cè)量量子位而運(yùn)行的。一些測(cè)量通過(guò)構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)計(jì)算進(jìn)行定義，而其他測(cè)量則依靠這一網(wǎng)絡(luò)推動(dòng)信息的傳遞。所有這些測(cè)量的最終結(jié)果結(jié)合在一起就得出了最后的答案。

要使以上任意一種構(gòu)建方法生效，你必須找到一個(gè)途徑來(lái)確保量子位可維持足夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，使你能夠執(zhí)行計(jì)算。就其本身而言，這是一個(gè)相當(dāng)艱巨的任務(wù)。量子力學(xué)的狀態(tài)是微妙的，它們會(huì)很容易被溫度的小幅波動(dòng)或雜散的電磁場(chǎng)打亂。這可能會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的計(jì)算錯(cuò)誤，甚至?xí)褂?jì)算半途而廢。

除了這些，如果你想進(jìn)行有效的計(jì)算，你還必須找到一種方法，將系統(tǒng)擴(kuò)展到數(shù)百個(gè)或數(shù)千個(gè)量子位。在90年代中期，當(dāng)人們首次通過(guò)俘獲原子和離子制造出第一個(gè)量子位時(shí)，擴(kuò)展被認(rèn)為是不可行的。即使制造一個(gè)量子位，也需要精心的制作方法和大量設(shè)備在高真空度下的密切運(yùn)作。但是，這一情況在過(guò)去幾年中發(fā)生了改變；現(xiàn)在，已經(jīng)有各種量子計(jì)算的候選被證明是易于擴(kuò)展的（見“量子競(jìng)爭(zhēng)者”）。

其中，基于硅的量子位得到了我們的青睞。它們可以使用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體技術(shù)制造，并有望得到穩(wěn)定的性能和緊湊的結(jié)構(gòu)。

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現(xiàn)有幾種不同的方法可以從硅中得到量子位。我們將從早期的一種方法開始介紹：使用人工放置在硅中的原子。

如果這種方法聽起來(lái)很熟悉，那是因?yàn)榘雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)使用了雜質(zhì)來(lái)調(diào)整硅的電子屬性，從而制造出二極管和晶體管等器件。在一個(gè)被稱為摻雜的過(guò)程中，周期表相鄰列中的原子被添加到硅中。所摻雜的原子向相鄰材料送出一個(gè)電子（作為“供體”），或從相鄰材料中提取一個(gè)電子（作為“受體”）。

這些摻雜劑改變了硅的整體電子特性，但僅在高于零下220攝氏度左右的溫度才有效。低于該閾值，來(lái)自供體的電子就不再具備足夠的熱能，無(wú)法抵抗正電荷原子的吸引，因此就會(huì)返回。

這種被稱為載流子凍析的現(xiàn)象，說(shuō)明了多數(shù)傳統(tǒng)硅器件停止工作的原因。但在1998年，現(xiàn)在就職于馬里蘭大學(xué)帕克分校的物理學(xué)家布魯斯?凱恩（Bruce Kane）指出，凍析可能對(duì)量子計(jì)算非常有用。它創(chuàng)造了一組電中性且相對(duì)孤立的原子，每個(gè)原子都被固定在適當(dāng)?shù)奈恢谩@就是一個(gè)可以存儲(chǔ)信息的自然平穩(wěn)的量子系統(tǒng)。

在這一結(jié)構(gòu)中，信息可以以兩種方式進(jìn)行存儲(chǔ)：被編碼在供體原子核的自旋態(tài)，或者最外層電子的自旋態(tài)中。一個(gè)粒子的自旋狀態(tài)對(duì)于變化的磁場(chǎng)以及鄰近粒子間的相互作用非常敏感。附近其他原子核的自旋是首要問(wèn)題。它們會(huì)隨意翻轉(zhuǎn)，擾亂材料中的電子自旋量子位的狀態(tài)。

但事實(shí)證明，這些自旋對(duì)于硅來(lái)說(shuō)并不太成問(wèn)題。硅只有一個(gè)同位素——硅29——具有非零自旋核，而硅29只占自然產(chǎn)生的硅原子的5%。因此，核自旋翻轉(zhuǎn)對(duì)于硅原子是罕見的。按照量子的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量，供體電子自旋的壽命相當(dāng)長(zhǎng)。例如，磷供體外層電子的自旋狀態(tài)在被擾亂前，可以在8開爾文的溫度下維持疊加狀態(tài)達(dá)0.3毫秒。

這就是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)所需要的最基本的東西。為了彌補(bǔ)一個(gè)量子態(tài)的損壞并保持量子信息始終完整，用于識(shí)別和糾正錯(cuò)誤的額外長(zhǎng)壽量子位必須被納入每個(gè)用于計(jì)算的量子位中。要做到這一點(diǎn)，其中一個(gè)最直接的方法是添加冗余，使每個(gè)計(jì)算量子位實(shí)際上由一組量子位組成。隨著時(shí)間的推移，一些量子位中的信息會(huì)被損壞，但這組量子位的狀態(tài)可以定期依據(jù)大多數(shù)量子位的狀態(tài)進(jìn)行無(wú)干擾性重置。如果有足夠的冗余，并且錯(cuò)誤率在“容錯(cuò)”的閾值以下，信息就可以被維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)執(zhí)行計(jì)算。

如果一個(gè)量子位平均持續(xù)時(shí)間為0.3毫秒，并且可以利用微波輻射在10納秒內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，就意味著，在量子態(tài)衰變之前，可以對(duì)其進(jìn)行平均3萬(wàn)次的閘運(yùn)算。容錯(cuò)閾值不盡相同，但是這一數(shù)字不是很高。這意味著，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)將花費(fèi)幾乎所有的時(shí)間糾正量子位及其克隆的狀態(tài)，而進(jìn)行有意義的計(jì)算的時(shí)間就會(huì)很少。為了減少與糾錯(cuò)相關(guān)的時(shí)間，并構(gòu)建更緊湊、更高效的量子計(jì)算機(jī)，我們必須找到一種方法來(lái)延長(zhǎng)量子位的壽命。

要做到這一點(diǎn)，一種方法是使用完全不包含同位素硅29的硅材料。這種硅是很難得到的。但是，大約10年前，阿伏伽德羅項(xiàng)目——一個(gè)致力于重新界定千克標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際合作項(xiàng)目——正巧為了進(jìn)行測(cè)量而制造了一些硅28的原始球。該團(tuán)隊(duì)在俄羅斯使用了一系列的離心機(jī)，獲得了一些純度為99.995%的硅28，使其成為有史以來(lái)制造出的最純凈的材料之一。普林斯頓大學(xué)的一個(gè)小組獲得了一些剩余的材料。經(jīng)過(guò)一番仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)，在2012年，該小組報(bào)告稱，他們?cè)?.8開爾文的溫度下得到了超過(guò)1秒鐘的供體電子自旋穩(wěn)定期——這創(chuàng)造了所有材料的電子自旋的世界紀(jì)錄。這確實(shí)表明了硅的真正潛力，并確立了它作為真正競(jìng)爭(zhēng)者的地位。

我們的研究小組已證明，某些供體原子的自旋——特別是鉍——可通過(guò)外部磁場(chǎng)調(diào)諧到特定的“最佳點(diǎn)”。這些“最佳點(diǎn)”具有對(duì)磁波動(dòng)不敏感的特性。關(guān)于供體鉍，我們發(fā)現(xiàn)其外層電子自旋態(tài)可在較高溫度下的高純度硅28中持續(xù)長(zhǎng)達(dá)3秒。重要的是，我們發(fā)現(xiàn)在天然硅中，其自旋穩(wěn)定期可維持0.1秒。這意味著我們應(yīng)該能夠獲得相對(duì)較長(zhǎng)的量子位壽命，而無(wú)須尋求特殊的高純度同位素材料。

對(duì)于電子而言，上述時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)是極佳的了，但相比原子核所能達(dá)到的時(shí)長(zhǎng)，這又遜色許多了。最近由西門菲沙大學(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的一次測(cè)量表明，磷供體原子的核自旋可以在低溫下的硅中持續(xù)長(zhǎng)達(dá)3分鐘。由于核自旋與外界的相互作用是通過(guò)其周圍電子實(shí)現(xiàn)的，如果去除磷的最外層電子，這一時(shí)長(zhǎng)就可以延長(zhǎng)至3個(gè)小時(shí)。

核自旋的壽命之所以比電子自旋的壽命長(zhǎng)，是因?yàn)樗鼈兊拇判暂^弱，與環(huán)境的相互作用不那么強(qiáng)。但這種穩(wěn)定是有代價(jià)的，因?yàn)檫@也使得它們更難被調(diào)控。因此，我們預(yù)計(jì)，由供體原子構(gòu)建的量子計(jì)算機(jī)可能會(huì)同時(shí)使用原子核和電子。易于被操控的電子自旋可以用于運(yùn)算，而更穩(wěn)定的核自旋可以被部署為存儲(chǔ)元件，在計(jì)算過(guò)程中，以量子態(tài)存儲(chǔ)信息。

上文所提到的自旋時(shí)長(zhǎng)記錄都是來(lái)自對(duì)整個(gè)供體集合的測(cè)量。但仍有一個(gè)主要挑戰(zhàn)：你如何一次調(diào)控并測(cè)量一個(gè)供體量子位的狀態(tài)，尤其當(dāng)有上萬(wàn)或上百萬(wàn)的量子位存在于一個(gè)小空間的時(shí)候？直到幾年前，人們還并不清楚如何才能做到這一點(diǎn)。但在2010年，經(jīng)過(guò)10年艱苦的研究和開發(fā)后，由悉尼新南威爾士大學(xué)的安德里亞?莫雷洛（Andrea Morello）和安德魯?杜拉克（Andrew Dzurak）率領(lǐng)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)表示，控制并讀出一個(gè)單一供體原子的電子自旋態(tài)是有可能的。他們把磷供體靠近一個(gè)被稱為金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）單電子晶體管（SET）的設(shè)備，施加了一個(gè)溫和的磁場(chǎng)，并降低了溫度。自旋與磁場(chǎng)反向的電子比自旋與磁場(chǎng)同向的電子獲得更多的能量，而這多余的能量就足以使電子從供體原子中彈出了。因?yàn)镾ET對(duì)周圍環(huán)境的充電狀態(tài)極為敏感，這樣摻雜原子的電離過(guò)程就改變了SET的電流。從那時(shí)起，這一方法被擴(kuò)展應(yīng)用在控制和讀取單個(gè)核自旋態(tài)。

SET可能是我們構(gòu)建有效量子位所需的關(guān)鍵基石之一。但這一方實(shí)際構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)時(shí)仍存在一些重大障礙。目前， SET必須在非常低的溫度下工作——只有零點(diǎn)幾開爾文——以便足夠敏感，能夠讀取量子位。而且，雖然我們可以用單一器件讀出一個(gè)量子位，但目前我們還沒(méi)有一個(gè)詳細(xì)的擴(kuò)展藍(lán)圖。如何制造大型陣列并將此類器件集成在一個(gè)芯片上仍是待解決的問(wèn)題。

還有一種基于硅的構(gòu)建量子位的方法被證明更易于擴(kuò)展。這一想法源于物理學(xué)家大衛(wèi)?迪文森佐（David DiVincenzo）和丹尼爾?羅斯（Daniel Loss）的研究。量子位通過(guò)束縛于量子點(diǎn)內(nèi)部的單一電子構(gòu)建。

在一個(gè)量子點(diǎn)中，電子可以被緊緊地束縛住，它們被迫占據(jù)分立能級(jí)，就像它們?cè)谠又車菢印Ｔ谝粋€(gè)凍析出的供體原子中，被束縛的電子的自旋態(tài)可被作為一個(gè)量子位的基礎(chǔ)。

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隨著圍繞硅的量子計(jì)算研究日益深入，我們正處在一個(gè)獨(dú)特的時(shí)期。我們有兩種可能的系統(tǒng)——供體和量子點(diǎn)——可能被用于制造量子計(jì)算機(jī)。