物理學家提出模塊化量子計算機構造新藍圖，大小堪比足球場
2017-02-02 22:38:42 機器之心來自英國瑟賽克斯大學的量子物理學家們已經勾畫出利用現有技術建造量子計算機的藍圖，可能會解決一些當下未解決的重要問題，比如對大數字進行質因數分解。據該機器的設計師介紹，這樣的一個機器會比一個足球場還大，至少要花費 1 億英鎊（1 億 2600 萬美元）。點擊「閱讀原文」查看相關論文
「是的，它會很大，也很昂貴，但現在絕對可以建造出來，」該研究團隊的負責人，英國瑟賽克斯大學量子物理學家 Winfried Hensinger 說到。該藍圖的相關論文已經發表在 2 月 1 日的 Science Advances 上。
囚禁離子量子計算機內核的原型
該藍圖不是第一個建立實用的量子計算機的想法，它提出了嚴峻的工程挑戰，澳大利亞悉尼新南威爾士大學的量子物理學家 Andrea Morello 說到。但它的目標雄心和使用的方法是非凡的。「我認為這是一個具有里程碑意義的論文，它將會對這個社區產生持續多年的影響。」
「雖然這個建議非常具有挑戰性，但我希望量子社區中有更多的人會認為這是個大項目。」馬里蘭大學的物理學家 Christopher Monroe 也認同這個藍圖。
量子架構
量子計算機將利用量子粒子的顯著特性進行一定的計算，速度比傳統計算機快數倍，世界各地的團隊都在競相建立大規模的量子計算機，但到目前為止，大多數設計目標都是幾十個量子比特。然而做一些有用的計算，例如尋找大數的質因數可能需要數千個量子比特。
Hensinger 的團隊建議使用被磁場囚禁的離子創造其量子比特，這是一種物理學家已經研究了 20 多年的方法。使用囚禁離子的量子比特技術建造一臺計算機所需要的大部分組件已經被找到，Monroe 說。「我們的社區需要的是一個能輕松建立這樣一臺計算機的系統工程。」
在 Hensinger 的藍圖中，數千個手掌大小的方形模塊會結合在一起產生-理論上的-一個任意大小的量子計算機。該設計的關鍵是如何克服實際問題，比如尤其是如何散去機器產生的熱量。「在量子計算領域很少有人考慮這種高層次的問題，要么是因為大家認為關心這個問題是件蠢事，要么就是在自己的物理系統中，揣測這樣一個高層次的問題幾乎是不可能的，」Monroe 說到。
在每個模塊中，將有大約 2500 個被囚禁的離子量子比特懸浮在磁場中，以免受干擾，影響它們微妙的量子態。執行操作時，相鄰的離子會以 X 網格型穿梭互動，類似于 PacMan 中角色的招牌動作。
速度和規模
該團隊并沒有使用單獨的激光來控制每個被囚禁的離子——這是一個規模巨大的工程建設，他們提出的是使用覆蓋整個計算機的微波輻射場來控制量子比特，這么做只需要一個本地的電壓。科學家們建議使用液氮保持系統的冷卻。
離子自己會在芯片之間跳躍來傳輸模塊之間的信息——這種技術能產生比使用光波和光纖傳輸信號快 100,000 倍的芯片間連接速度，Hensinger 說。單獨的模塊將是可替換的，它們建立在硅基上，這些可以使用傳統電子工業中使用的技術制造，他補充道。
為了找到 2048 位（或長 617 位）數字的質因數——傳統的計算機無法做到——量子計算機需要 20 億比特的離子，大約要花 110 天才能解決這個問題，Hensinger 說。這將會使研究人員破解當今最好的加密系統。
在理論上，這樣的計算只需要 4096 個量子比特，但是考慮到當下質量一般的離子量子比特囚禁技術會出現一定的錯誤率，因此實際上可能需要 20 億個離子。但降低量子比特造成錯誤率可以大大減少計算機的尺寸，也許可以降到一個大房間的大小，Hensinger 說。
所有打造量子計算機的團隊都受面臨著巨大的技術挑戰，比如如何做強磁場梯度和需要精確控制工程的量子比特操縱。但 Hensinger 和他的同事正在建造一個基于他們自己設計的原型，以展示他們的計劃真的具有可行性。
「這項工程將是一個非凡的工程挑戰，但這是值得追求的，」Morello 說。
論文：Blueprint for a microwave trapped ion quantum computer
摘要：通用量子計算機的實現可能會對眾多的研究領域和整個社會產生顛覆性影響。越來越多的科學和工業社區正致力于打造這樣的設備。建造一個任意大的量子計算機最好使用模塊化的方法。我們提出了一個基于囚禁離子的可擴展量子計算機模塊的藍圖，使得基于長波輻射量子門建立可擴展量子計算機體系結構成為了可能。這些模塊控制所有作為獨立單位的操作，它們是利用硅微加工技術構建的，這些都是現有的技術。為了執行所需的量子計算，這些模塊利用基于長波輻射的量子門技術。為了擴展這個微波量子計算機體系結構的尺寸，我們提出了一個完全可擴展的設計，該設計利用不同模塊之間的離子傳輸，從而允許任意數量模塊得以連接，以構造大型設備。一個高的錯誤-閾值的表面誤差校正代碼可以部署在我們提出的架構中，以執行容錯操作。通過適當調整，我們提出的模塊也適用于可替代的囚禁離子量子計算機體系結構，如使用光子互連的計劃。
