维也纳工业大学(维也纳)和日本(国家信息学研究所和NTT基础研究实验室)的科学家正在提出一种新型的量子计算机。
量子计算机是量子技术的圣杯。它的计算能力甚至会超过我们今天最快的古典计算机。来自维也纳工业大学(维也纳)、国立信息学研究所(东京)和日本NTT基础研究实验室的研究人员现在提出了一种基于金刚石微观缺陷的量子计算新架构。一个能够解决复杂问题的可靠量子计算机必须由数十亿个量子系统组成，而这样的设备仍然遥不可及。但研究人员确信，与之前提出的量子计算概念相比，他们新提出的架构的基本元素更适合小型化、大规模生产和集成到芯片上。新的量子计算体系结构的实验已经在维也纳工业大学进行。
脆弱的量子叠加
几十年来，科学家们一直试图使用量子系统进行逻辑计算。“在传统计算机中，一个比特只能存储一个数字:0或1。然而，量子物理学允许态的叠加。一个量子比特可以同时处于状态0和状态1，这为计算打开了难以置信的可能性”，Jörg Schmiedmayer (TU Wien)说。
这种叠加态可以在不同种类的量子系统中实现，比如在电磁阱或超导量子比特中捕获的离子。现在发表在《物理评论X》杂志上的结构是不同的:可以占据两种不同自旋状态的氮原子被注入到小钻石中。每个氮缺陷都被困在一个由两个镜子组成的光学谐振腔中。通过玻璃纤维，光子被耦合到由谐振器、钻石和氮原子组成的量子系统中。这样，就有可能读取和操纵量子系统的状态，而不破坏钻石中自旋的量子特性。
现实的量子计算机需要纠错
每个系统——由镜子、钻石和一个氮缺陷组成——可以存储一个量子比特信息:0、1或两者的任意叠加。但通常这样的量子比特是非常不稳定的。要建立一个工作可靠的量子计算机，就需要纠错程序。“如果使用纠错，一个量子比特就不能再存储在一个量子粒子中。相反，我们需要一个相互连接的量子系统的复杂架构”，Michael Trupke说。
研究人员计算了谐振器、钻石和氮原子如何组装起来，以创建一个抗错误的二维量子系统，即所谓的“拓扑保护量子计算机”。根据计算，大约45亿个这样的量子系统将足以实现算法“short -2048”，该算法能够计算2048位数字的质因数。
无论使用离子阱、超导量子比特还是钻石中的氮自旋，任何量子计算机架构都需要这么多的量子元素。“我们的方法有一个很大的优势，那就是我们知道如何让元素变得更小。这种结构在小型化和大规模生产方面具有巨大的潜力。”“整个行业都在使用钻石，材料科学正在迅速发展。仍有许多障碍需要克服，但将固体材料中的氮自旋连接起来，打开了一条最终可能导致运行的量子计算机的道路。”
只有开始——就像晶体管一样
特鲁普克将量子计算的当前状态与电子计算的早期进行了比较:“当第一个晶体管被制造出来时，没有人能想象把它们放在一个数十亿的小芯片上。今天，我们随身携带这样的芯片。钻石中的氮自旋可以像经典计算机科学中的晶体管一样发展。”
在维也纳工业大学，研究人员已经开始创建这种新建筑的小规模实现。Jörg Schmiedmayer说:“我们有一个巨大的优势，就是能够与维也纳工业大学在材料研究和量子技术方面的许多国际知名研究团队合作。”Friedrich Aumayr致力于将氮原子注入钻石的方法，Peter Mohn在大规模计算机模拟中获得数值数据。微腔阵列是与维也纳工业大学微纳米结构(ZMNS)中心Ulrich Schmid持续合作的结果。钻石碎片通常在大学自己的x光中心进行分析。
在像short -2048这样的算法在量子计算机上运行之前，可能还有很长的路要走。但科学家们相信，在未来几年内，纠缠量子构建块，创造更大的集群细胞将成为可能。国家信息学研究所的Kae Nemoto说:“一旦这种情况发生，规模将迅速扩大。”“最终，”施米德梅尔说，“这一切都取决于我们能否成功进入量子技术的大规模生产和小型化时代。我不认为有任何物理定律可以阻止我们这样做。”
欲了解更多信息，请访问www.tuwien.ac.at/en/news。
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