钻石内的量子计算机

　　科学家制成钻石内的量子计算机，首次加入防止“去相干”机制，利用微波脉冲不断切换电子自旋方向。

　　

 

　　科学家们在钻石内制成一种量子计算机，这是一个首创。图像中的芯片尺寸是3mm×3mm，而在中心的钻石是1mm × 1毫米。

　　钻石恒久远，或者，至少，钻石的量子计算效果是这样。南加州大学(USC)的科学家组成的研究小组，制成一种钻石内的量子计算机，这是一个首创，可以防止“去相干”(decoherence)，去相干是一种噪音，会妨碍计算机正常运行。

　　演示表明，这种可行的固态量子计算机，不像早期的气态和液态系统，代表着量子计算的未来，因为它们很容易增加尺寸。目前的量子计算机通常是非常小的，虽然令人印象深刻，但是，还不能匹敌更大的传统计算机的速度。

　　这一跨国研究小组包括南加州大学教授丹尼尔•莱达(Daniel Lidar)及南加州大学博士后研究员王志辉(Zhihui Wang)，还有一些研究人员来自荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)，美国爱荷华州立大学(Iowa State University)和加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)。他们的研究成果发表在4月5日在《自然》杂志上，题为《去相干保护量子门用于混合固态自旋寄存器》(Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register)。

　　这一研究小组的钻石量子计算机系统，具有两个量子位(称为“量子比特”)，采用的是亚原子粒子。

　　相对的传统计算机的比特，可以明确地编码为1或0，量子比特可以在同一时间编码为1和0。这一属性称为叠加，而且，量子态可以“隧穿”能障(energy barriers)，因此，有朝一日会使量子计算机进行优化计算，速度远远超过传统电脑。

　　就像所有的钻石一样，研究人员使用的钻石也有杂质，就是碳以外的东西。钻石中的杂质越多，制成首饰的吸引力就越小，因为它会使晶体外观不亮泽。

　　然而，这个研究小组就是利用这些杂质本身。

　　杂质氮核会成为第一个比特。在第二个缺陷中，有一个电子，成为第二个量子比特。更准确地说，是每个亚原子粒子的“自旋”被用作量子比特。

　　电子比原子核小，运算速度更快，但也更不稳定，会更迅速地“去相干”。量子比特采用原子核，体积更大，更加稳定，但速度慢。

　　“原子核有很长的退相干时间，达数毫秒。你可以认为这非常缓慢，”莱达说，他兼职于南加州大学维特比工程学院(USC Viterbi School of Engineering)和南加州大学东塞夫文学、艺术和科学学院(USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences)。

　　

 

　　量子门运行在去相干环境

　　虽然固态计算系统之前已经存在，但是这是首次加入去相干保护，利用微波脉冲不断切换电子自旋方向。

　　莱达说，“这有点像时间旅行，”因为切换旋转方向，会在时间上反转矛盾的运动，量子比特会恢复初始位置。

　　研究小组可以证明，他们的钻石封装系统确实能以量子方式运行，但要看它如何密切地符合“格罗夫算法”(Grover's algorithm)。

　　这种算法不是新的，是洛夫•格罗弗(Lov Grover)1996年在贝尔实验室(Bell Labs)发明的，但它显示了量子计算的未来。

　　测试是搜索无序数据库，类似于要求在电话簿中搜索名称，但要求你已经只知道电话号码。

　　有时，第一次尝试你就会奇迹般地找到它，有时，你可能要翻遍整本书，才能找到它。如果你做了无数次的搜索，平均来说，你要找到名称，需要搜寻电话簿的一半。

　　在数学上，这可以表示为，你找到正确的选择，需要进行X / 2次尝试，X是你需要搜索的总的选择数量。因此，总共有四个选择，你找到正确选择，平均需要尝试两个。

　　量子计算机使用叠加属性，可以找到正确的选择，而且更迅速。它背后的数学很复杂，但在实际应用中，量子计算机搜索无序列表中的四个选择，第一次尝试就会找到正确的选择，每次都是这样。

　　虽然并不完美，但是，这种新的计算机在95%的时间，第一次尝试就可找到正确选择，这足以证明，它是以量子方式运作。