鉆石內(nèi)的量子計(jì)算機(jī)

　　科學(xué)家制成鉆石內(nèi)的量子計(jì)算機(jī)，首次加入防止“去相干”機(jī)制，利用微波脈沖不斷切換電子自旋方向。

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　　科學(xué)家們?cè)阢@石內(nèi)制成一種量子計(jì)算機(jī)，這是一個(gè)首創(chuàng)。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(yuǎn)，或者，至少，鉆石的量子計(jì)算效果是這樣。南加州大學(xué)(USC)的科學(xué)家組成的研究小組，制成一種鉆石內(nèi)的量子計(jì)算機(jī)，這是一個(gè)首創(chuàng)，可以防止“去相干”(decoherence)，去相干是一種噪音，會(huì)妨礙計(jì)算機(jī)正常運(yùn)行。

　　演示表明，這種可行的固態(tài)量子計(jì)算機(jī)，不像早期的氣態(tài)和液態(tài)系統(tǒng)，代表著量子計(jì)算的未來，因?yàn)樗鼈兒苋菀自黾映叽纭Ｄ壳暗牧孔佑?jì)算機(jī)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(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度。

　　這一跨國研究小組包括南加州大學(xué)教授丹尼爾?萊達(dá)(Daniel Lidar)及南加州大學(xué)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(xué)(Delft University of Technology)，美國愛荷華州立大學(xué)(Iowa State University)和加州大學(xué)圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)。他們的研究成果發(fā)表在4月5日在《自然》雜志上，題為《去相干保護(hù)量子門用于混合固態(tài)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有兩個(gè)量子位(稱為“量子比特”)，采用的是亞原子粒子。

　　相對(duì)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比特，可以明確地編碼為1或0，量子比特可以在同一時(shí)間編碼為1和0。這一屬性稱為疊加，而且，量子態(tài)可以“隧穿”能障(energy barriers)，因此，有朝一日會(huì)使量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)電腦。

　　就像所有的鉆石一樣，研究人員使用的鉆石也有雜質(zhì)，就是碳以外的東西。鉆石中的雜質(zhì)越多，制成首飾的吸引力就越小，因?yàn)樗鼤?huì)使晶體外觀不亮澤。

　　然而，這個(gè)研究小組就是利用這些雜質(zhì)本身。

　　雜質(zhì)氮核會(huì)成為第一個(gè)比特。在第二個(gè)缺陷中，有一個(gè)電子，成為第二個(gè)量子比特。更準(zhǔn)確地說，是每個(gè)亞原子粒子的“自旋”被用作量子比特。

　　電子比原子核小，運(yùn)算速度更快，但也更不穩(wěn)定，會(huì)更迅速地“去相干”。量子比特采用原子核，體積更大，更加穩(wěn)定，但速度慢。

　　“原子核有很長(zhǎng)的退相干時(shí)間，達(dá)數(shù)毫秒。你可以認(rèn)為這非常緩慢，”萊達(dá)說，他兼職于南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院(USC Viterbi School of Engineering)和南加州大學(xué)東塞夫文學(xué)、藝術(shù)和科學(xué)學(xué)院(USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences)。

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　　量子門運(yùn)行在去相干環(huán)境

　　雖然固態(tài)計(jì)算系統(tǒng)之前已經(jīng)存在，但是這是首次加入去相干保護(hù)，利用微波脈沖不斷切換電子自旋方向。

　　萊達(dá)說，“這有點(diǎn)像時(shí)間旅行，”因?yàn)榍袚Q旋轉(zhuǎn)方向，會(huì)在時(shí)間上反轉(zhuǎn)矛盾的運(yùn)動(dòng)，量子比特會(huì)恢復(fù)初始位置。

　　研究小組可以證明，他們的鉆石封裝系統(tǒng)確實(shí)能以量子方式運(yùn)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(shí)驗(yàn)室(Bell Labs)發(fā)明的，但它顯示了量子計(jì)算的未來。

　　測(cè)試是搜索無序數(shù)據(jù)庫，類似于要求在電話簿中搜索名稱，但要求你已經(jīng)只知道電話號(hào)碼。

　　有時(shí)，第一次嘗試你就會(huì)奇跡般地找到它，有時(shí)，你可能要翻遍整本書，才能找到它。如果你做了無數(shù)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(shù)學(xué)上，這可以表示為，你找到正確的選擇，需要進(jìn)行X / 2次嘗試，X是你需要搜索的總的選擇數(shù)量。因此，總共有四個(gè)選擇，你找到正確選擇，平均需要嘗試兩個(gè)。

　　量子計(jì)算機(jī)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(shù)學(xué)很復(fù)雜，但在實(shí)際應(yīng)用中，量子計(jì)算機(jī)搜索無序列表中的四個(gè)選擇，第一次嘗試就會(huì)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(jì)算機(jī)在95%的時(shí)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(yùn)作。