物理學家已經勾勒出一個利用現有技術構建量子計算機的藍圖，該計算機將強大到足以破解重要且目前無法解決的問題，例如分解巨大的數字。
其設計者表示，這樣一臺機器需要比足球場更大，而且製造成本至少為 1 億英鎊（1.26 億美元）。
英國蘇塞克斯大學的量子物理學家溫弗裡德·亨辛格表示：“是的，它會很大，是的，它會很貴——但它現在絕對可以被建造出來。”他是 2 月 1 日在《科學進展》雜誌上發表的論文中釋出該藍圖的團隊的負責人。1
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新南威爾士大學（位於澳大利亞悉尼）的量子物理學家安德烈亞·莫雷洛表示，這個想法並不是第一個提出建造實用量子計算機的方案，而且它提出了嚴峻的工程挑戰。但他表示，它的雄心和方法值得關注。“我認為這是一篇里程碑式的論文，它將在未來很多年裡對學術界產生非常大的影響。”
馬里蘭大學（位於大學公園）的物理學家克里斯托弗·門羅也表示：“雖然這個方案極具挑戰性，但我希望量子界有更多人能像這樣放眼未來。”
量子架構
量子計算機有望利用量子粒子的卓越特性，以比傳統計算機快得多的速度執行某些計算。世界各地的團隊正在競相大規模構建它們，但到目前為止，大多數設計都瞄準了數十個量子位元。可能需要數千個量子位元才能進行有用的計算，例如查詢大數的質因數。
亨辛格的團隊建議使用磁場捕獲的離子來建立他們的量子位元——物理學家們已經為此研究了 20 多年。門羅說，構建使用捕獲離子量子位元技術的計算機所需的大部分元件已經得到演示。“我們的社群需要一個系統工程的推動，以便直接構建它。”
在亨辛格的藍圖中，數千個手掌大小的方形模組將被連線在一起，在理論上產生任何尺寸的量子計算機。該設計的關鍵在於如何克服實際問題，例如如何散發機器產生的熱量。“量子計算領域的人很少考慮如此高層次的問題，要麼是因為他們認為思考那麼大很傻，要麼是因為在他們自己的物理系統中，幾乎不可能理解如此高層次的視角，”門羅說。
在每個模組中，大約 2,500 個捕獲離子量子位元將懸浮在磁場中，以防止干擾，從而影響它們微妙的量子態。為了執行操作，離子透過在 X 形網格上穿梭來與它們的鄰居相互作用，類似於吃豆人角色。
速度和規模
該團隊並沒有使用單獨的雷射器來控制每個捕獲的離子（這將需要大量的工程工作來大規模構建），而是建議透過整個計算機的微波輻射場來控制量子位元。為了調入和調出與更廣泛的場的相互作用的單個量子位元，他們只需要施加區域性電壓。科學家的方案建議使用液氮來保持系統冷卻。
亨辛格說，離子本身會從晶片跳到晶片，以在模組之間傳輸資訊——這種技術產生的晶片間連線速度比使用光波和光纖傳輸訊號的系統快 10 萬倍。他補充說，單個模組是可以更換的，基於可以使用傳統電子行業中使用的技術製造的矽基底。
為了找到一個 2048 位（或 617 位長）數字的質因數——這是當今任何傳統計算機都無法做到的——計算機將需要 20 億個量子位元離子。亨辛格說，他們需要大約 110 天才能破解這個問題。這將使研究人員能夠破解當今最好的加密系統。
從理論上講，此計算只需要 4,096 個量子位元，但由於當今質量一般的捕獲離子量子位元技術存在錯誤率，因此需要 20 億個離子。但亨辛格說，降低量子位元產生錯誤的速度可以大大縮小計算機的尺寸，甚至可能縮小到大型房間的大小。
任何渴望建造量子計算機的建設團隊仍然面臨巨大的技術挑戰——例如如何製造強大的磁場梯度以及如何在操縱量子位元時實現精確控制。但亨辛格和他的同事們現在正在根據他們的設計建造一個原型，以證明他們的計劃確實可行。
莫雷洛說：“建造那東西將是一項非凡的工程挑戰，但這是一項值得追求的挑戰。”
本文經許可轉載，並於 2017 年 2 月 1 日首次發表。