鉆石內的量子計算機

　　科學家制成鉆石內的量子計算機，首次加入防止“去相干”機制，利用微波脈沖不斷切換電子自旋方向。

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　　科學家們在鉆石內制成一種量子計算機，這是一個首創。圖像中的芯片尺寸是3mm×3mm，而在中心的鉆石是1mm × 1毫米。

　　鉆石恒久遠，或者，至少，鉆石的量子計算效果是這樣。南加州大學(USC)的科學家組成的研究小組，制成一種鉆石內的量子計算機，這是一個首創，可以防止“去相干”(decoherence)，去相干是一種噪音，會妨礙計算機正常運行。

　　演示表明，這種可行的固態量子計算機，不像早期的氣態和液態系統，代表著量子計算的未來，因為它們很容易增加尺寸。目前的量子計算機通常是非常小的，雖然令人印象深刻，但是，還不能匹敵更大的傳統計算機的速度。

　　這一跨國研究小組包括南加州大學教授丹尼爾?萊達(Daniel Lidar)及南加州大學博士后研究員王志輝(Zhihui Wang)，還有一些研究人員來自荷蘭代爾夫特理工大學(Delft University of Technology)，美國愛荷華州立大學(Iowa State University)和加州大學圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)。他們的研究成果發表在4月5日在《自然》雜志上，題為《去相干保護量子門用于混合固態自旋寄存器》(Decoherence-protected quantum gates for a hybrid solid-state spin register)。

　　這一研究小組的鉆石量子計算機系統，具有兩個量子位(稱為“量子比特”)，采用的是亞原子粒子。

　　相對的傳統計算機的比特，可以明確地編碼為1或0，量子比特可以在同一時間編碼為1和0。這一屬性稱為疊加，而且，量子態可以“隧穿”能障(energy barriers)，因此，有朝一日會使量子計算機進行優化計算，速度遠遠超過傳統電腦。

　　就像所有的鉆石一樣，研究人員使用的鉆石也有雜質，就是碳以外的東西。鉆石中的雜質越多，制成首飾的吸引力就越小，因為它會使晶體外觀不亮澤。

　　然而，這個研究小組就是利用這些雜質本身。

　　雜質氮核會成為第一個比特。在第二個缺陷中，有一個電子，成為第二個量子比特。更準確地說，是每個亞原子粒子的“自旋”被用作量子比特。

　　電子比原子核小，運算速度更快，但也更不穩定，會更迅速地“去相干”。量子比特采用原子核，體積更大，更加穩定，但速度慢。

　　“原子核有很長的退相干時間，達數毫秒。你可以認為這非常緩慢，”萊達說，他兼職于南加州大學維特比工程學院(USC Viterbi School of Engineering)和南加州大學東塞夫文學、藝術和科學學院(USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences)。

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　　量子門運行在去相干環境

　　雖然固態計算系統之前已經存在，但是這是首次加入去相干保護，利用微波脈沖不斷切換電子自旋方向。

　　萊達說，“這有點像時間旅行，”因為切換旋轉方向，會在時間上反轉矛盾的運動，量子比特會恢復初始位置。

　　研究小組可以證明，他們的鉆石封裝系統確實能以量子方式運行，但要看它如何密切地符合“格羅夫算法”(Grover's algorithm)。

　　這種算法不是新的，是洛夫?格羅弗(Lov Grover)1996年在貝爾實驗室(Bell Labs)發明的，但它顯示了量子計算的未來。

　　測試是搜索無序數據庫，類似于要求在電話簿中搜索名稱，但要求你已經只知道電話號碼。

　　有時，第一次嘗試你就會奇跡般地找到它，有時，你可能要翻遍整本書，才能找到它。如果你做了無數次的搜索，平均來說，你要找到名稱，需要搜尋電話簿的一半。

　　在數學上，這可以表示為，你找到正確的選擇，需要進行X / 2次嘗試，X是你需要搜索的總的選擇數量。因此，總共有四個選擇，你找到正確選擇，平均需要嘗試兩個。

　　量子計算機使用疊加屬性，可以找到正確的選擇，而且更迅速。它背后的數學很復雜，但在實際應用中，量子計算機搜索無序列表中的四個選擇，第一次嘗試就會找到正確的選擇，每次都是這樣。

　　雖然并不完美，但是，這種新的計算機在95%的時間，第一次嘗試就可找到正確選擇，這足以證明，它是以量子方式運作。