量子计算机如何迎来计算能力的黄金时代

解释：量子工程

量子计算机可以迎来计算能力的黄金时代，解决当今机器上难以解决的问题。

自1940年代以来，古典计算机以惊人的速度发展。今天，您可以买到比半个世纪前的最先进的房型计算机更强大的计算能力的手表。这些进步通常来自电气工程师能够制造出越来越小的晶体管和电路，并将它们紧密地结合在一起的能力。

但是这种缩小最终将达到物理极限-随着计算机电子设备接近原子级，将不可能在不影响相邻组件的情况下控制单个组件。常规计算机无法使用常规缩放来无限地改进。

量子计算是1980年代产生的一个想法，有一天可能会将接力棒带入强大的高速计算的新时代。该方法使用量子力学现象来运行复杂的计算，这对于经典计算机而言是不可行的。从理论上讲，量子计算可以在几分钟内解决问题，这可能需要几千年的经典计算机。Google已经展示了量子计算在某些任务上胜过世界上最好的超级计算机的能力。

但这还处于初期阶段-量子计算必须先清除许多科学和工程方面的障碍，然后才能可靠地解决实际问题。麻省理工学院的100多名研究人员正在帮助开发必要的基础技术，以扩大量子计算的规模，并将其潜力变为现实。

: 麻省理工学院的计算机工程师正在努力使量子计算的承诺成为现实。

它有助于您首先了解经典计算机的基础知识，例如您用来阅读该故事的计算机。经典计算机以二进制位存储和处理信息，每个二进制位的值为0或1。典型的笔记本电脑可能包含数十亿个晶体管，这些晶体管使用不同级别的电压来代表这两个值中的任何一个。尽管经典计算机的形状，大小和功能千差万别，但它们都在相同的二进制逻辑基本系统上运行。

量子计算机本质上是不同的。它们的量子位称为qubit，每个值可以为0、1或两个状态的同时组合。这要归功于称为叠加的量子力学现象。麻省理工学院林肯实验室量子信息和集成纳米系统小组的研究员约翰·奇维里尼解释说：“量子粒子可以像同时出现在两个地方一样起作用。”

粒子也可以彼此纠缠在一起，因为它们的量子态变得密不可分。Chiaverini说，叠加和纠缠使量子计算机“可以比传统计算机以指数方式更快地解决某些问题”。

Chiaverini指出了量子计算机可以发光的特定应用。例如，他们擅长分解大量数据，这是加密和数字安全性的重要工具。他们还可以模拟复杂的分子系统，这有助于发现药物。原则上，只要我们能够构建可靠的计算机，量子计算机就可以使许多领域的研究和工业发展迅速。

您如何建造量子计算机？

由于两个相关的挑战，量子系统不容易管理。首先是量子位的叠加状态非常敏感。较小的环境干扰或材料缺陷可能导致量子位出错并丢失其量子信息。这个过程称为退相干，限制了量子比特的使用寿命。

第二个挑战在于控制量子位以执行逻辑功能，通常是通过微调电磁辐射脉冲来实现的。这种操纵过程本身会产生足够的偶然电磁噪声，从而引起退相干。为了扩大量子计算机的规模，工程师们必须在保护量子位免受潜在干扰和仍然允许对其进行计算的平衡之间取得平衡。理论上，可以通过一系列物理系统实现这种平衡，尽管目前两种技术显示出最大的希望：超导体和捕获离子。

超导量子计算机利用成对的电子流（称为“库珀对”）通过无阻电路作为量子位。麻省理工学院电气工程与计算机科学系副教授，林肯实验室研究员，麻省理工学院中心主任威廉·奥利弗说：“超导体非常特殊，因为在一定温度下，它的电阻会消失。”用于量子工程。

奥利弗（Oliver）工程师的计算机使用由超导铝电路构成的量子比特，这些电路被冷却至接近零的绝对值。当电流以一种或另一种方式流过电路时，该系统充当具有两个能量状态（分别为0和1）的非谐振荡器。这些超导量子位相对较大，沿每个边缘大约为十分之一毫米，这是传统晶体管的数十万倍。超导量子比特的体积使计算操作变得容易。

但这也意味着奥利弗（Oliver）一直在与退相干作斗争，寻求新的方法来保护量子比特免受环境噪声的侵害。他的研究任务是消除可能有助于制造可靠的超导量子计算机的这些技术难题。奥利弗说：“我喜欢进行基础研究，但我喜欢以实用且可扩展的方式进行研究。”量子工程将量子科学和常规工程联系起来。要使量子计算成为现实，将需要科学和工程学。

应对量子位同时保护它们免于退相干的挑战的另一种解决方案是被困的离子量子计算机，该计算机将非固有原子及其自然量子力学行为用作量子位。Chiaverini认为，与过冷回路相比，原子使量子比特更简单。他说：“幸运的是，我不必自己设计量子位。”“自然给了我这些非常好的量子位。但是关键是设计系统并掌握这些东西。”

Chiaverini的量子位是带电荷的离子，而不是中性原子，因为它们更易于包含和定位。他使用激光控制离子的量子行为。“我们正在操纵电子的状态。我们正在将原子中的一个电子提升至更高的能级或更低的能级，”他说。

离子本身通过向芯片上的电极阵列施加电压而保持在适当位置。“如果我正确地做到了，那么我就可以创建一个电磁场，该电磁场可以保持在芯片表面上方的捕获离子上。”通过改变施加到电极上的电压，Chiaverini可以使离子在芯片表面上移动，从而允许在单独捕获的离子之间进行多量子位操作。

因此，尽管量子位本身很简单，但微调包围它们的系统却是一个巨大的挑战。“您需要设计控制系统-诸如激光，电压和射频信号之类的东西。我们认为，将它们全部都收集到也能捕获离子的芯片中是关键的推动力。”

Chiaverini指出，被困的离子量子计算机面临的工程挑战通常与量子位控制有关，而不是防止退相干。对于基于超导的量子计算机则相反。当然，还有许多其他物理系统正在研究作为量子计算机的可行性。

我们从这里去哪里？

如果您有积蓄购买量子计算机，请不要屏住呼吸。Oliver和Chiaverini同意，随着科学和工程技术的发展，量子信息处理将在未来几十年和几十年内逐渐进入商业市场。

同时，Chiaverini指出了他正在开发的捕获离子技术的另一种应用：高精度光学时钟，可以帮助导航和GPS。就他自己而言，奥利弗（Oliver）设想了一个链接的古典量子系统，在该系统中，古典机器可以运行大部分算法，并发送选择的计算，以使量子机器在其量子位分解之前就可以运行。从长远来看，由于改进的纠错代码使量子计算机可以无限期运行，因此量子计算机可以具有更高的独立性。

Chiaverini说：“量子计算已经是未来的几年了。”但是现在，这项技术似乎已经达到了一个转折点，从纯粹的科学问题转变为联合科学与工程问题，即“量子工程”，这一转变部分由Chiaverini，Oliver和MIT中心的许多其他研究人员协助完成。量子工程（CQE）和其他地方。