谷歌開發通用量子計算機取得重要突破

過去30年，研究人員一直試圖開發能解決任何計算問題的通用量子計算機。目前，來自美國加州和西班牙的一支團隊開發了一款原型設備，能解決物理和化學領域的多種問題，而未來還有可能被應用至更廣泛的領域。IBM和加拿大公司D-Wave此前利用不同方式開發了可提供一定功能的量子計算機。然而，這樣的設備無法擴大至更多量子位，從而解決傳統計算機無法解決的問題。

來自加州聖芭芭拉谷歌研究實驗室的計算機科學家，以及加州大學聖芭芭拉分校和西班牙巴斯克大學的物理學家近期在《自然》雜誌上介紹了他們的最新設備。

D-Wave的量子計算機芯片

南加州大學量子計算專家丹尼爾·利達爾(Daniel Lidar)表示：“從許多方面來看，這都是出色的成果，吸取了量子計算行業許多有價值的經驗。”

谷歌的原型產品結合了兩種量子計算技術。其中一種技術使用針對特定問題、有着特殊排列的量子位去設計計算機數字電路。這類似於傳統微處理器中的訂製數字電路。

量子計算理論的很大一部分基於這種技術。這其中也包括避免計算結果偏離的誤差修正方法。不過到目前為止，基於這種技術的量子計算機只限於幾個量子位。

另一種技術稱作“絕熱量子計算(AQC)”。計算機將特定問題編碼為一組量子位，並逐步調整這些量子位之間的互動，以“塑造”共同的量子態，得出解決方案。從理論上來説，任何問題都可以被編碼為一組量子位。

谷歌團隊的計算機科學家拉米·巴倫茲(Rami Barends)表示，這種技術受到隨機噪聲效應的限制，而這種效應會引入系統無法修正的誤差。此外，這種技術也無法保證有效地解決任何問題。

不過，全球首款商用的量子計算設備正是基於AQC技術。這款產品來自英國公司D-Wave，價格約1500萬美元。谷歌也擁有一台D-Wave的設備。不過，巴倫茲及其同事認為，有更好的方式去利用AQC技術。

他們希望找到某種誤差修正方式。如果沒有誤差修正，那麼利用AQC技術去擴大計算規模將非常困難，因為在更大的系統中，誤差的積累將會很快。該團隊認為，實現這一目標的第一步是將AQC技術與數字方法中的誤差修正技術結合在一起。

在研究中，谷歌的團隊採用了9個固態量子位。這些量子位由十字形的鋁製薄膜製成，寬度約為400微米。隨後，這些量子位被固定在藍寶石表面上。研究人員將這些鋁製薄膜的温度降低至0.02開爾文(約零下273攝氏度)，使金屬成為超導體，電阻完全消失。利用這些超導態的量子位，研究人員可以向其中編碼信息。

相鄰量子位的互動由“邏輯門”控制。邏輯門利用數字方式去操控量子位，使其進入某種狀態，從而得出問題的解。在演示中，研究人員對量子位進行排列，使其模擬有着一定自旋態的磁性原子陣列。這樣的問題已經在凝聚態物理中得到了充分研究。研究人員隨後可以通過量子位去確定總勢能最低的原子自旋態組合。

對傳統計算機來説，這是個非常簡單的問題。不過，谷歌的新設備也可以處理所謂的“non-stoquastic”問題，而這是傳統計算機做不到的。這其中包括對多個電子互動的模擬，這以往需要準確的化學計算機模擬。從量子層面模擬分子和其他物質將是量子計算最有價值的應用。

利達爾表示，這種新方法將使量子計算機可以進行量子誤差修正。儘管研究人員尚未做出證明，但該團隊此前表示，在9個量子位的設備上可以做到這點。

谷歌團隊的另一名成員阿里雷扎·沙巴尼(Alireza Shabani)表示：“憑藉誤差修正，我們的技術可以成為通用算法，從而拓展至任意的大型量子計算機。”

谷歌的設備目前基本上停留在原型產品階段。不過利達爾表示，在未來幾年中，超過40個量子位的設備將成為現實。

他表示：“屆時，對量子動力學的模擬將成為可能，而這是傳統硬件做不到的。這意味着‘量子霸權’的到來。”