編者注（2012年10月9日）：由於本文被諾貝爾委員會在2012年諾貝爾物理學獎的公告中引用為進一步閱讀材料，並且也是由一位獲獎者撰寫的，因此我們將在30天內免費提供本文的文字。 包含圖片且發表於2008年8月刊的完整文章可在此處購買此處。
在過去的幾十年裡，技術進步極大地提高了計算機的速度和可靠性。現代計算機晶片在一平方英寸的矽片上集成了近十億個電晶體，未來計算機元件的尺寸還將進一步縮小，接近單個分子的尺寸。在這個級別及更小的級別上，計算機可能會開始看起來截然不同，因為它們的工作原理將受量子力學支配，量子力學是解釋原子和亞原子粒子行為的物理定律。量子計算機的巨大前景在於，它們可能能夠比傳統計算機更快地執行某些關鍵任務。
也許這些任務中最著名的是分解一個由兩個素數乘積組成的大數。即使數字長達數百位，計算機也很容易完成兩個素數相乘的工作，但相反的過程——推匯出素數因子——卻極其困難，以至於它已成為當今幾乎所有形式的資料加密的基礎，從網際網路商業到國家機密的傳輸。
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1994年，當時在貝爾實驗室的彼得·肖爾表明，理論上，量子計算機可以輕鬆破解這些加密程式碼，因為它分解數字的速度比任何已知的經典演算法都要快指數級。並且，在1997年，同樣在貝爾實驗室的洛夫·K·格羅弗表明，量子計算機可以顯著提高搜尋未排序資料庫的速度——例如，當您只有電話號碼時在電話簿中查詢姓名。
然而，實際構建量子計算機並非易事。量子硬體——原子、光子或用於在量子位元或量子位中儲存資料的微結構——需要滿足相互衝突的要求。量子位必須充分隔離於周圍環境；否則，雜散的外部相互作用將停止它們的計算。這種破壞性過程，稱為退相干，是量子計算機的禍根。但是量子位也必須彼此強烈互動，並且最終必須準確測量以顯示其計算結果。
全球的科學家正在探索幾種構建第一臺原型量子計算機的方法。我們自己的研究側重於使用單電荷正離子（已被剝奪一個電子的原子）處理資訊。我們捕獲了短鏈離子——使用附近電極產生的電場將粒子限制在真空中——以便它們可以接收來自雷射的輸入訊號並彼此共享資料。我們的目標是開發可擴充套件的量子計算機——也就是說，量子位的數量可以增加到數百或數千個的系統。這樣的系統將透過完成普通計算機無法比擬的複雜處理任務來實現該技術的承諾。
捕獲離子
量子力學是基於波的理論。正如來自兩個或多個鋼琴絃的聲波可以合併成和絃一樣，不同的量子態可以組合成疊加態。例如，一個原子可能同時位於兩個位置或處於兩種不同的激發態。當測量處於疊加態的量子粒子時，傳統的解釋是該狀態坍縮為單個結果，每次可能測量的機率由疊加態中波的相對比例給出。量子計算機的潛在威力源於這些疊加：與只能具有值 0 或 1 的傳統數字位不同，量子位可以同時為 0 和 1。具有兩個量子位的系統可以同時容納四個值——00、01、10 和 11。一般來說，具有 N 個量子位的量子計算機可以同時處理 2N 個數字；僅包含 300 個原子的集合（每個原子儲存一個量子位）就可以容納比宇宙中粒子數量更多的值！
這些較大的量子疊加通常是糾纏的，這意味著對單個量子位的測量將是相關的。量子糾纏可以被認為是粒子之間的一種無形連線，這種連線無法在經典物理學中複製，愛因斯坦稱之為“幽靈般的超距作用”。例如，在我們的離子阱實驗中，每個電磁懸浮離子都像一個微觀條形磁鐵；量子位狀態 1 和 0 可以對應於每個原子磁體的兩種可能的方向（例如，向上和向下）。雷射冷卻透過散射光子來耗散原子的動能，使離子幾乎靜止在阱內。由於離子駐留在真空室中，因此它們與環境隔離，但它們之間的電斥力為產生糾纏提供了強烈的相互作用。並且比人類頭髮還細的雷射束可以瞄準單個原子，以操縱和測量儲存在量子位中的資料。
在過去的幾年中，科學家們使用捕獲的離子進行了許多量子計算的概念驗證實驗。研究人員已經產生了多達八個量子位的糾纏態，並表明這些簡陋的計算機可以執行簡單的演算法。將捕獲離子方法擴充套件到更大數量的量子位似乎很簡單（儘管技術上非常具有挑戰性）。借鑑經典計算機的經驗，這項工作將涉及對幾種型別的量子邏輯閘進行排序，每種邏輯閘僅由幾個捕獲的離子組成。科學家們可以將傳統的糾錯技術應用於量子世界，方法是使用多個離子來編碼每個量子位。在這裡，資訊的冗餘編碼允許系統容忍錯誤，只要錯誤發生的速率足夠低。最終，有用的捕獲離子量子計算機最有可能需要儲存和操縱至少數千個離子，這些離子被捕獲在微晶片上覆雜的電極陣列中。
製造“通用”量子計算機（可以執行所有可能計算的計算機）的首要要求是可靠的記憶體。如果我們將量子位置於 0 和 1 的疊加態，離子磁方向同時指向上和下，則它必須保持在該狀態，直到資料被處理或測量。研究人員早就知道，儲存在電磁阱中的離子可以充當非常好的量子位記憶體暫存器，疊加壽命（也稱為相干時間）超過 10 分鐘。這些相對較長的壽命是由於離子與其周圍環境之間的相互作用非常弱而產生的。
量子計算的第二個基本要素是操縱單個量子位的能力。如果量子位基於捕獲離子的磁方向，研究人員可以使用振盪磁場，施加指定的時間，來翻轉量子位（將其從 0 更改為 1，反之亦然）或將其置於疊加態。鑑於捕獲離子之間的距離很小（通常為幾百萬分之一米），很難將振盪場定位到單個離子，這很重要，因為我們通常希望更改一個量子位的方向而不更改其鄰居的方向。但是，我們可以透過使用聚焦在感興趣的特定量子位（或量子位）上的雷射束來解決此問題。
第三個基本要求是設計至少一種量子位之間邏輯閘的能力。它可以採用與經典邏輯閘相同的形式——AND 和 OR 門，它們是傳統處理器的構建塊——但它也必須作用於量子位特有的疊加態。雙量子位邏輯閘的一個流行選擇稱為受控非門 (CNOT)。讓我們將量子位輸入稱為A和B。A是控制位。如果A的值為 0，則 CNOT 門保持B不變；如果A為 1，則門翻轉B，將其值從 0 更改為 1，反之亦然。此門也稱為條件邏輯閘，因為對量子位輸入B採取的操作（位是否翻轉）取決於量子位輸入A的條件。
為了在兩個離子量子位之間製作條件邏輯閘，我們需要它們之間存在耦合——換句話說，我們需要它們相互對話。由於兩個量子位都帶正電，因此它們的運動透過稱為互庫侖斥力的現象而強烈地電耦合。1995年，當時都在奧地利因斯布魯克大學的胡安·伊格納西奧·西拉克和彼得·佐勒提出了一種利用這種庫侖相互作用來間接耦合兩個離子量子位的內部狀態並實現 CNOT 門的方法。以下是他們門的變體的簡要說明。
首先，考慮碗中的兩個彈珠。假設彈珠帶電並相互排斥。兩個彈珠都想沉澱在碗底，但庫侖斥力導致它們靜止在相對的兩側，每個都稍微向上傾斜。在這種狀態下，彈珠會傾向於同步移動：例如，它們可以在碗中沿著它們的對齊方向來回振盪，同時保持它們之間的分離距離。離子阱中的一對量子位也將體驗到這種共同運動，像兩個用彈簧連線的擺錘一樣來回晃動。研究人員可以透過施加來自雷射束的光子壓力（以阱的自然振盪頻率調製）來激發共同運動。
更重要的是，只有當雷射束的磁方向向上時，雷射束才會影響離子，此處向上對應於量子位值 1。更重要的是，這些微觀條形磁鐵在空間中振盪時會旋轉其方向，並且旋轉量取決於一個離子還是兩個離子都處於 1 狀態。最終結果是，如果我們對離子施加特定的雷射力並持續精心調整的時間，我們就可以建立一個 CNOT 門。當量子位在疊加態中初始化時，此門的作用會使離子糾纏，使其成為在許多離子之間構建任意量子計算的基本操作。
包括因斯布魯克大學、密歇根大學安娜堡分校、國家標準與技術研究院 (NIST) 和牛津大學的研究小組在內的幾個實驗室的研究人員已經演示了工作的 CNOT 門。當然，沒有一個門可以完美工作，因為它們受到雷射強度波動和嘈雜的環境電場等因素的限制，這些因素會損害離子雷射激發運動的完整性。目前，研究人員可以製造一個雙量子位門，其“保真度”略高於 99%，這意味著門操作錯誤的機率小於 1%。但是，有用的量子計算機可能需要達到約 99.99% 的保真度，才能使糾錯技術正常工作。所有捕獲離子研究小組的主要任務之一是降低背景噪聲，使其足以達到這些目標，儘管這項工作將是艱鉅的，但沒有任何基本因素阻礙其實現。
離子高速公路
但是研究人員真的可以用捕獲的離子製造出功能齊全的量子計算機嗎？不幸的是，似乎更長的離子鏈——包含超過約 20 個量子位的離子鏈——將幾乎不可能控制，因為它們的許多共同運動的集體模式會相互干擾。因此，科學家們已經開始探索將量子硬體分成可管理的部分的想法，使用可以在量子計算機晶片上來回穿梭的短離子鏈執行計算。電力可以移動離子鏈，而不會干擾其內部狀態，從而保留它們攜帶的資料。研究人員可以將一個離子鏈與另一個離子鏈糾纏，以傳輸資料並執行需要許多邏輯閘操作的處理任務。由此產生的架構在某種程度上類似於數字相機中使用的熟悉的電荷耦合器件 (CCD)；正如 CCD 可以將電荷移動穿過電容器陣列一樣，量子晶片可以推動單個離子鏈穿過線性阱網格。
NIST 的許多捕獲離子實驗都涉及在多區域線性阱中穿梭離子。然而，將這個想法擴充套件到更大的系統將需要更復雜的結構，其中包含大量可以引導離子向任何方向移動的電極。電極必須非常小——在 10 到 100 萬分之一米的範圍內——才能精確地限制和控制離子穿梭過程。幸運的是，捕獲離子量子計算機的構建者可以利用微細加工技術，例如微機電系統 (MEMS) 和半導體光刻技術，這些技術已經用於構建傳統的計算機晶片。
在過去一年中，幾個研究小組已經演示了第一個整合的離子阱。密歇根大學和馬里蘭大學物理科學實驗室的科學家在其量子晶片中採用了砷化鎵半導體結構。NIST 的研究人員開發了一種新的離子阱幾何結構，其中離子漂浮在晶片表面之上。阿爾卡特-朗訊和桑迪亞國家實驗室的研究小組在矽晶片上製造了更精密的離子阱。關於這些晶片阱，還有許多工作要做。必須降低來自附近表面的原子噪聲，或許可以透過用液氮或液氦冷卻電極來實現。研究人員必須巧妙地編排離子在晶片上的運動，以避免加熱粒子並擾亂其位置。例如，在T形交叉路口周圍穿梭離子需要仔細同步電力。
光子連線
與此同時，其他科學家正在探索另一種利用捕獲離子構建量子計算機的方法，這種方法可能會規避控制離子運動中的一些困難。這些研究人員沒有透過離子的振盪運動來耦合離子，而是使用光子來連線量子位。在基於 2001 年西拉克、佐勒及其同事密歇根大學的段路明和哈佛大學的米哈伊爾·盧金提出的想法的方案中，光子從每個捕獲的離子發射出來，使得光子的屬性——例如偏振或顏色——與離子的內部磁量子位狀態糾纏在一起。然後，光子透過光纖傳輸到分束器，分束器是一種通常用於將光束分成兩束的裝置。但是，在這種設定中，分束器反向工作：光子從相對兩側接近裝置，如果粒子具有相同的偏振和顏色，它們會相互干涉，並且只能沿著相同的路徑出現。但是，如果光子具有不同的偏振或顏色——表明捕獲的離子處於不同的量子位狀態——粒子可以 沿著單獨的路徑到達一對探測器。這裡的重點是，在檢測到光子後，不可能分辨出哪個離子發射了哪個光子，而這種量子現象會在離子之間產生糾纏。
然而，發射的光子並非每次嘗試都能成功收集或檢測到。事實上，絕大多數時候光子都會丟失，離子也不會糾纏。但是，仍然可以透過重複該過程並簡單地等待探測器同時計數光子來從這種型別的錯誤中恢復。一旦發生這種情況，即使離子可能相隔很遠，對其中一個量子位的操縱也會影響另一個量子位，從而允許構建 CNOT 邏輯閘。
密歇根大學和馬里蘭大學的科學家已經成功地使用發射光子的干涉糾纏了兩個捕獲離子量子位，它們相隔約一米。此類實驗的主要障礙是糾纏產生率低；將這些單光子捕獲到光纖中的可能性非常小，以至於離子每分鐘僅糾纏幾次。可以透過用所謂的 оптический резонатор 中的高反射鏡包圍每個離子來顯著提高該速率，這將大大改善離子發射與光纖的耦合，但這種增強目前在實驗上非常難以實現。然而，只要干涉最終發生，研究人員仍然可以將該系統用於量子資訊處理。（該過程類似於在新房子中安裝有線電視：儘管可能需要多次打電話給服務提供商才能安裝系統，但最終電纜會連線好，您就可以觀看電視。）
此外，研究人員可以透過光纖連線額外的離子發射器並重復該過程，直到建立更多糾纏連結，從而將量子門操作擴充套件到大量量子位。也可以使用光子耦合和前面討論的運動耦合來連線遠端甚至全球距離上的幾個小型捕獲離子叢集。這正是“量子中繼器”背後的想法，其中小型量子計算機以週期性距離聯網，以在量子位傳輸數百公里時保持量子位。如果沒有這樣的系統，資料通常會永遠丟失。
量子未來
科學家們離構建一臺可以應對艱鉅挑戰（例如分解非常大的數字）的量子計算機還很遠，這些挑戰一直困擾著傳統機器。儘管如此，量子資訊處理的一些功能已經開始在現實世界中得到應用。例如，雙量子位門所需的幾個簡單邏輯運算可以應用於原子鐘，原子鐘根據原子在量子態之間躍遷時發射的輻射頻率來計時。研究人員可以將糾纏捕獲離子的技術應用於提高光譜學測量的靈敏度，光譜學是對受激原子發射的光進行分析。
量子資訊科學領域有望從根本上改變計算規則。捕獲離子集合正處於這項工作的最前沿，因為它們提供的與環境的隔離程度是目前大多數其他物理系統無法比擬的。與此同時，透過使用雷射，研究人員可以輕鬆地製備和測量用少量離子設計的糾纏量子疊加。在未來幾年，我們期待新一代的捕獲離子晶片，這些晶片可能會為具有更多量子位的量子計算機鋪平道路。到那時，科學家們最終可能會實現他們建立量子機器的夢想，這種機器可以應對曾經被認為是不可能的艱鉅任務。
