量子计算界:一块芯片就是一台量子计算机

　　加州大学圣巴巴拉分校(UCSB)的研究人员们成为了最先将量子处理器与能够用于存储指令和数据的内存相结合的人。这一量子计算界的成果复制了上世纪40年代传统计算机设计的一个相似的里程碑。

　　尽管目前量子计算基本上还是一个科研项目，但它有望使计算机的能力远超当前水平。量子计算机的能力来自它们最基本的计算单元——比特位(bit)。在传统计算机里，一个比特位在某一时刻只能表示1或0。多亏了量子力学的特性，量子计算机中同等作用的量子位(qubit)能够一次同时表示两个值。当处于“叠加”状态的量子位协同工作时，它们处理的数据量会比同等数量普通比特位有指数级的提高。

　　

 

　　超低温：当温度降至接近绝对零度时，这块芯片就变成了一台量子计算机，其中包括一个处理器(两个黑色的方块)和内存(两侧的蛇形线)。

　　来源：埃里克•鲁塞罗将处理器和内存元件相结合使这种应用更加接近我们，因为它应当会使对可运行的量子计算机进行操作和编程变得更加实际，领导该项目的马特奥•马利安托尼(Matteo Mariantoni)说到。该项目是由约翰•马丁尼斯(John inis)和安德鲁•克里兰德(Andrew Cleland)领导的一个更大的项目的一部分。

　　研究人员采用的设计被称为冯•诺依曼(von Neumann)架构——以约翰•冯•诺依曼(John von Neumann)的名字命名，他提出了将处理器和内存结合起来制造计算机的想法。在上世纪40年代后期冯•诺依曼的设计首次制造出之前，计算机只能通过物理上的重新配置实现重编程。“我们日常生活中使用的每一台计算机都是基于冯•诺依曼架构的，而且我们已经制造出了量子力学的等价品，”马利安托尼说。

　　唯一能够购买到的量子计算机(售价1000万美元)缺少内存并且工作起来像一台前冯•诺依曼计算机。

　　量子位可以通过多种方式获得，比如将离子或原子悬浮在磁场中。该UCSB小组更多地使用了传统电子电路，尽管必须把温度降至接近绝对零度以使其达到超导状态并激发它们的量子行为。它们可以通过用于传统计算机的芯片制造技术被组合到一起。马利安托尼表示，超导电路的使用让该团队得以将量子位和内存元件在一块芯片上紧密地放置在一起，这使得这一灵感来自冯•诺依曼的新型设计成为可能。

　　这种处理器由两个量子位组成，它们由一条能够使其通讯的量子总线相连。每个量子位还与一个内存元件(该量子位可以将其当前值存入其中以备之后使用)连接，从而起到传统计算机上RAM的作用，实现随机内存访问。量子位与内存之间的连接包含了名为振荡器的设备，这是一些可以让量子位的值在其中短暂存储的之字形电路。

　　马利安托尼的小组已经利用这一新系统运行了一个名为Toffoli门(Toffoli gate)的算法，这是一种计算机的基础模块，可以用来实现任何传统计算机程序。该团队还利用其设计执行了一项数学运算，其背后的算法可能会让量子计算机能够破解复杂的数据加密。

　　大卫•舒斯特尔(David Schuster)领导了一个芝加哥大学同样致力于量子计算和超导电路的小组。他表示，超导电路已于最近被证实是相当可靠的了。“如今这些技术的下一个重要突破便是规模，”他说。通过复制冯•诺依曼架构，UCSB团队已经拓展了这一领域。

　　尽管这并不是说量子计算机必须完全采用传统计算机所使用的设计。“你或许能制造一台完全不使用量子位的计算机，并且它也能够完成各种计算，”舒斯特尔说。然而使用振荡器(就像在这一全新设计中内存所使用的)有着诸多优点。“振荡器的制造比量子位更容易也更可靠，并且更容易控制，”舒斯特尔说到。

　　马利安托尼对此表示赞同。“我们能够很容易地扩大这些晶体单元的数量规模，”他说。“我相信，振荡器阵列将代表集成电路量子计算的未来。”