量子估算，作為一種遵守量子熱學(xué)規(guī)律來(lái)調(diào)控量子信息單元進(jìn)行估算的新模式；相對(duì)于精典計(jì)算機(jī)的比特位（bits）來(lái)說(shuō)，量子比特的處理速率更快，更適宜于高速數(shù)據(jù)搜索，也將進(jìn)一步建立網(wǎng)路安全，其被人們寄寓厚望。
它可以快到哪些程度？一旦量子計(jì)算機(jī)成功問(wèn)世，那人們似乎就須要改變現(xiàn)有的全部密碼和信息保護(hù)方法，由于它可以在幾秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)“暴力破解”。
盡管它可以這么高效地運(yùn)算，但其內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问骄秃途C藝節(jié)目里常玩的“傳話游戲”類(lèi)似——每個(gè)量子比特向身邊近來(lái)的下一個(gè)進(jìn)行溝通，即使不會(huì)像游戲通常由于戴上麥克風(fēng)而發(fā)生傳遞錯(cuò)誤，但這些信息“挨家挨戶”傳遞的方法其實(shí)也并不變得這么的前沿而且快速。
不過(guò)現(xiàn)在，來(lái)自英國(guó)耶魯學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)突破了這一信息傳遞限制，她們證明了兩個(gè)量子估算組件，也就是“自旋”硅量子比特在計(jì)算機(jī)芯片中，盡管它們相距較遠(yuǎn)也可以互相作用。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在了最新一期的刊物上。耶魯學(xué)院化學(xué)系的中學(xué)生Felix、聯(lián)合研究學(xué)者G.Croot、J.，現(xiàn)已在微軟工作的X.Mi，以及“尤金·希金斯”物理學(xué)院士JasonR.Petta共同完成了該研究。
圖|研究團(tuán)隊(duì)合照（來(lái)源：Felix,）
突破量子比特信息傳輸限制
作為這項(xiàng)研究的負(fù)責(zé)人，JasonR.Petta表示：“在硅芯片上跨越這個(gè)距離來(lái)傳輸信息的能力，將為我們的量子硬件帶來(lái)新的功能?！?span style="display:none">tMe物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
對(duì)于該研究的目標(biāo)，Petta解釋道：“我們的最終目標(biāo)是在一個(gè)二維網(wǎng)格中排列出多個(gè)量子比特，因而讓其執(zhí)行更為復(fù)雜的估算。從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，這項(xiàng)研究有助于改善單一芯片上、還有芯片與芯片之間的量子位元通訊情況。”
量子計(jì)算機(jī)之所以具有極大應(yīng)用潛力，主要在于和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的二補(bǔ)碼相比，其比特都有0和1的狀態(tài)；并且量子計(jì)算機(jī)還存在一個(gè)0和1之間的任意線性組合，屬于一種像“薛定諤的貓”一樣的疊加狀態(tài)。假如將多個(gè)量子比特置于一起，這種疊加狀態(tài)之間又互有關(guān)聯(lián)，還能儲(chǔ)存和估算更多的數(shù)據(jù)。
簡(jiǎn)言之，多個(gè)量子比特在某一次操作以后不是僅代表多個(gè)比特“0”和“1”的一種組合，而是可以代表所有可能的態(tài)。這樣在運(yùn)算的時(shí)侯，采用量子比特則是把所有態(tài)一起估算，可大大推動(dòng)運(yùn)算速率。而假如能夠進(jìn)一步讓量子比特趕超“面對(duì)面”的距離進(jìn)行聯(lián)系，則可能更大程度降低量子計(jì)算機(jī)的潛力。
所以，讓成千上萬(wàn)個(gè)量子比特可以相互通信是量子計(jì)算機(jī)這個(gè)“未來(lái)化”項(xiàng)目的關(guān)鍵。目前，來(lái)自微軟、IBM，以及其他公司的量子計(jì)算機(jī)原型已包含幾十個(gè)量子比特，這種量子比特都是由超導(dǎo)電路技術(shù)制造的。但許多技術(shù)專(zhuān)家覺(jué)得：從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，基于硅的量子比特更有前途。
另外，硅載流子量子比特保持其量子態(tài)的時(shí)間，要長(zhǎng)于超導(dǎo)電路量子比特的量子態(tài)時(shí)間。同時(shí)，硅作為在日常生活中被廣泛應(yīng)用的電子器件材料，其生產(chǎn)成本較低。但應(yīng)用硅的話，就須要面對(duì)一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)：硅載流子量子比特是由單個(gè)電子構(gòu)成的，但是規(guī)格十分之小，未能完善挺好的聯(lián)接。
圖|載流子硅量子比特在芯片上和另一個(gè)較遠(yuǎn)的進(jìn)行通訊（來(lái)源：Felix,）
為解決這一問(wèn)題，研究人員通過(guò)一根“電線”將量子比特聯(lián)接上去，這條“電線”的形態(tài)與連入家庭的光纖電纜線比較相像。不過(guò)，不同的是導(dǎo)線實(shí)際上是包含著一個(gè)光粒子或光子的窄小腔體，它從一個(gè)量子比特接收信息并將其傳送給下一個(gè)。
這兩個(gè)量子比特之間的距離大概是半分米，和一粒面粉的寬度相當(dāng)。從規(guī)格角度進(jìn)行類(lèi)比，假如每位量子比特都像一棟房屋那般大小，這么這個(gè)量子比特就可以向1200公里之外（距離和上海到南京相當(dāng)）的另一個(gè)量子比特發(fā)送信息。
能進(jìn)行信息溝通的關(guān)鍵，就是要讓不同量子比特之間，以及腔體中的光子“說(shuō)同一種語(yǔ)言”，而這也是該研究的關(guān)鍵之處。研究人員嘗試將這三種粒子調(diào)節(jié)到一個(gè)相同的震動(dòng)頻度，最終成功地調(diào)整好兩個(gè)獨(dú)立的量子比特，并將它們耦合到了光子上。在此之前，這些設(shè)備的結(jié)構(gòu)只能容許一個(gè)量子比特和光子耦合。
論文的第一作者、研究生Felix對(duì)外表示：“你必須平衡芯片兩側(cè)的量子比特能量和光子能量，能夠讓這三種元素相互交流，這是工作中真正具有挑戰(zhàn)性的部份?！?span style="display:none">tMe物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
每位量子比特都由捕獲了一個(gè)電子的、被稱為“雙量子點(diǎn)”的小空間組成。電子具有一種叫作“自旋”的特點(diǎn)，它可以指向上或下兩個(gè)方向，如同手冊(cè)針指向南北一樣。通過(guò)用微波場(chǎng)轟擊電子，研究人員可以上下翻轉(zhuǎn)載流子，進(jìn)而控制量子比特處于0或1的量子態(tài)。
更緊貼產(chǎn)業(yè)的量子估算里程碑
這項(xiàng)研究一經(jīng)發(fā)表，便在數(shù)學(xué)學(xué)界引起廣泛關(guān)注。全球著名的數(shù)學(xué)研究門(mén)戶網(wǎng)站在發(fā)布這項(xiàng)研究新聞過(guò)后，短時(shí)間內(nèi)就得到了超過(guò)2000次的轉(zhuǎn)發(fā)。其實(shí)，相比上去，評(píng)論數(shù)多少變得有些“寂寞”；其實(shí)是只有業(yè)界大鱷能夠點(diǎn)評(píng)一二。
圖|官網(wǎng)截圖（來(lái)源：）
日本HRL實(shí)驗(yàn)室的中級(jí)科學(xué)家，也是與此研究合作過(guò)的Ladd對(duì)媒體說(shuō)：“這是第一個(gè)能證明硅中電子載流子之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于容納電子載流子糾纏態(tài)的裝置。不久曾經(jīng)，因?yàn)閷?duì)微波耦合載流子的要求，以及要避開(kāi)硅基元件中聯(lián)通的噪音電荷的互相沖突鍺與量子通訊，人們對(duì)這是否可行形成了懷疑?！?span style="display:none">tMe物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
“而這是硅量子比特的一個(gè)重要的可能性證明，它為怎樣聯(lián)接量子比特，以及在未來(lái)設(shè)計(jì)基于硅的量子微芯片的幾何布局上降低了相當(dāng)大的靈活性。”補(bǔ)充道。
這項(xiàng)研究的成功，構(gòu)建在JasonR.Petta團(tuán)隊(duì)過(guò)往在該領(lǐng)域的大量研究工作，以及其他科研人員相關(guān)突破的基礎(chǔ)之上。此前，和兩大刊物上發(fā)表了不少與之相關(guān)的技術(shù)發(fā)展文章。
在2010年發(fā)表于刊物上的一篇論文中，化學(xué)學(xué)家證明了在量子阱中捕獲單個(gè)電子是可能的。在2012年的刊物上，又報(bào)導(dǎo)了從納火鍋中的電子載流子向微波頻度的光子傳遞量子信息的過(guò)程。四年后，2016年的刊物則彰顯了從硅基電荷量子比特向光子傳遞信息的能力。
近來(lái)三年的研究結(jié)果則更為Petta團(tuán)隊(duì)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2017年，刊物上展示了如何以量子比特為單位的近鄰信息交換；隨即，在2018年的刊物上又展示出一個(gè)硅載流子量子比特與一個(gè)光子交換信息的實(shí)驗(yàn)。而正是該領(lǐng)域?qū)W者們的不斷積累鍺與量子通訊，最終幫助Petta的研究團(tuán)隊(duì)完成了這次研究突破。
圖|左為James；右為（來(lái)源：Wiki）
英特爾量子硬件主管James表示：“多個(gè)量子比特之間的布線或互連，是大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)面臨的最大挑戰(zhàn)。而Petta的團(tuán)隊(duì)在證明載流子量子比特可以長(zhǎng)距離耦合方面作出了卓越的成果。”
耶魯學(xué)院電氣工程學(xué)院士，也是“黃仁勛全球影響力”教授稱號(hào)獲得者對(duì)此評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)可以證明量子比特之間的長(zhǎng)距離互相作用的成果，對(duì)于進(jìn)一步發(fā)展比如模塊化量子等量子技術(shù)至關(guān)重要，是朝著這一目標(biāo)邁向的重要里程碑。由于它證明了由微波光子介導(dǎo)的、間隔超過(guò)4毫米的兩個(gè)電子載流子之間的非局部互相作用?！?span style="display:none">tMe物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
她還非常指出：“在電路中，該團(tuán)隊(duì)采用的是硅和鍺這些半導(dǎo)體工業(yè)中大量使用的材料。而這會(huì)讓研究更具有實(shí)用價(jià)值?！?span style="display:none">tMe物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))