Only Perception: 科學家創造第一款電子的量子處理器

2009-06-29

科學家創造第一款電子的量子處理器

Scientists create first electronic quantum processor
http://www.physorg.com/news165418586.html

June 28th, 2009

一個由耶魯（Yale）大學研究者所領導的團隊創造出第一款早期的固態量子處理器，朝著建立一部量子電腦的終極夢想上跨出了另一步。

他們亦使用雙量子位元（two-qubit）超導晶片成功地執行基本的演算法，例如簡單的搜尋，首度以一種固態裝置證明量子資訊處理。他們的發現將出現在 6/28 Nature 的 AOP 上。

"我們的處理器只能完成幾樣非常簡單的量子任務，那在之前已利用單個原子核、數個原子以及光子證明過，" Robert Schoelkopf 說，耶魯 William A. Norton 應用物理與物理學教授。"但這是它們首度在一個全電子的、看起來更像是一個正規微處理器的裝置上成為可能。"

與一個由 Steven Girvin，Eugene Higgins 物理與應用物理學教授，所領導的小組一同研究，這個團隊製造出二個人造原子，或量子位元（qubits，quantum bits）。然而，每個 qubit 事實上是由 10 億個鋁原子所構成，其行為如同單個原子，能佔據二種不同的能態。這些能態一如同傳統電腦所採用的、正規位元的 "1" 與 "0" 或著 "開" 與 "關" 狀態。然而因為量子力學違反直覺的法則，科學家能有效率地使 qubits 同時處於一種『疊加（superposition）』的多重狀態，允許更大的資訊儲存與處理能力。

例如，想像（你）有四個電話號碼，包括一個是朋友的，但不知道哪個號碼屬於那位朋友。在你撥出正確的號碼之前可能得要嘗試二、三個號碼。另一方面，一個量子處理器只要試一次就能找到正確的號碼。

"並非在一次撥打中只撥了一個號碼，然後再試另一個，你使用量子力學來加速此過程，" Schoelkopf 說。"再一次撥打中同時測試這四個號碼，但只獲得正確的那一個，是有可能的。"

這幾種運算雖然簡單，但是到目前為止科學家們一直都無法使用固態的 qubits，部份是因為科學家們無法使 qubits 維持夠久。雖然十年前第一個qubits 只能維持特定的量子態約一奈秒，不過 Schoelkopf 及其團隊現在能已能維持一微秒 -- 比之前長 1000 倍，那足以執行簡單的演算法。為了完成它們的運算，這些 qubit 利用一種先前由該團隊所開發的『量子匯流排（quantum bus）』-- 這些光子過連接 qubits 的導線傳輸資訊 -- 彼此溝通。

使雙量子位元處理器成為可能的關鍵在於，讓 qubits 在 "開啟" 或 "關閉" 之間突然地（abruptly）切換，故它們能迅速交換資訊，而且只在研究者要它們這麼做的時候才交換，Leonardo DiCarlo 說，一位耶魯應用物理學博士後助理，同時也是本論文的第一作者。

接下來，該團隊將研究使 qubits 維持其量子態的時間增加，讓他們能跑更複雜的演算法。他們也在研究將更多 qubits 連接到量子匯流排上。Schoelkopf 表示，當添加每一個 qubit 時，處理能力會以指數方式增加，故更先進量子運算的潛力相當巨大。不過他告誡說，在量子電腦能用來解決複雜問題之前，仍需要一些時間。

"我們離建造一部實用的量子電腦還遠得很，不過這跨出了一大步。"

※ 相關報導：

＊ Demonstration of two-qubit algorithms with a superconducting quantum processor
http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature08121.html
http://dx.doi.org/10.1038/nature08121

L. DiCarlo, J. M. Chow, J. M. Gambetta, Lev S. Bishop,
B. R. Johnson, D. I. Schuster, J. Majer, A. Blais,
L. Frunzio, S. M. Girvin & R. J. Schoelkopf
Nature advance online publication 28 June 2009
doi: 10.1038/nature08121