30年來，研究人員一直在追求通用量子計算機，這是一種可以解決任何計算問題的裝置，其成功程度各不相同。現在，加利福尼亞州和西班牙的一個團隊製造出了這種裝置的實驗原型，它可以解決化學和物理等領域的廣泛問題，並有可能擴充套件到更大的系統。
IBM和一家名為D-Wave的加拿大公司已經使用不同的方法建立了功能正常的量子計算機。但是，它們的裝置不容易擴充套件到解決經典計算機無法解決的問題所需的許多量子位元（qubits）。
谷歌位於加利福尼亞州聖巴巴拉的研究實驗室的計算機科學家，以及加利福尼亞大學聖巴巴拉分校和西班牙畢爾巴鄂巴斯克地區大學的物理學家，在《自然》雜誌線上描述了他們的新裝置。
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南加州大學洛杉磯分校的量子計算專家丹尼爾·利達爾說：“這是一項非常出色的工作，並且為量子計算界提供了寶貴的經驗教訓。”
谷歌原型結合了量子計算的兩種主要方法。一種方法是使用特定排列的量子位元構建計算機的數位電路，以解決特定問題。這類似於傳統微處理器中由經典比特製成的定製數位電路。
大部分量子計算理論都基於這種方法，其中包括糾正可能導致計算出錯的誤差的方法。到目前為止，實際應用僅在少量量子位元上成為可能。
模擬方法
另一種方法稱為絕熱量子計算（AQC）。在這裡，計算機將給定問題編碼到一組量子位元的狀態中，逐漸演化和調整它們之間的相互作用，以“塑造”它們的集體量子態並達到解決方案。原則上，幾乎任何問題都可以編碼到同一組量子位元中。
這種模擬方法受到隨機噪聲影響的限制，隨機噪聲會引入無法像數位電路中那樣系統地糾正的錯誤。谷歌團隊成員，計算機科學家拉米·巴倫德斯說，並且不能保證這種方法可以有效解決每個問題。
然而，只有AQC提供了首批商業裝置——由位於不列顛哥倫比亞省伯納比的D-Wave製造——每臺售價約1500萬美元。谷歌擁有一臺D-Wave裝置，但巴倫德斯和同事認為，有一種更好的方法來實現AQC。
特別是，他們希望找到某種方法來實現糾錯。如果沒有糾錯，擴充套件AQC將很困難，因為錯誤在較大的系統中累積得更快。該團隊認為，實現這一目標的第一步是將AQC方法與數字方法的糾錯能力相結合。
虛擬化學
為了做到這一點，谷歌團隊使用了一排九個固態量子位元，這些量子位元由十字形鋁膜製成，尖端到尖端約400微米。它們沉積在藍寶石表面上。研究人員將鋁冷卻到0.02開爾文，使金屬變成沒有電阻的超導體。然後可以將資訊編碼到超導狀態的量子位元中。
相鄰量子位元之間的相互作用由“邏輯閘”控制，這些邏輯閘以數字方式引導量子位元進入編碼問題解決方案的狀態。作為演示，研究人員指示他們的陣列模擬一排具有耦合自旋態的磁性原子——這是一個在凝聚態物理學中經過深入研究的問題。然後他們可以觀察量子位元，以確定原子所代表的自旋的最低能量集體狀態。
對於經典計算機來說，這是一個相當簡單的問題。但是，新的谷歌裝置也可以處理所謂的“非斯托克斯”問題，經典計算機無法解決這些問題。這些問題包括對許多電子之間相互作用的模擬，這對於化學中的精確計算機模擬是必需的。在量子水平上模擬分子和材料的能力可能是量子計算最有價值的應用之一。
利達爾說，這種新方法應該能夠實現具有量子糾錯功能的計算機。儘管研究人員在此並未展示這一點，但該團隊此前已展示如何在他們的九量子位元裝置上實現這一目標。
谷歌團隊的另一位成員阿里雷扎·沙巴尼說：“透過糾錯，我們的方法變成了一種通用的演算法，原則上可以擴充套件到任意大的量子計算機。”
谷歌裝置仍然只是一個原型。但利達爾表示，在幾年內，擁有超過40個量子位元的裝置可能會成為現實。
他說：“到那時，將有可能模擬經典硬體無法訪問的量子動力學，這將標誌著‘量子優勢’的到來。”
本文經許可轉載，並於2016年6月8日首次發表。