IBM超导量子比特的制备,是以硅为基质,采用铝和铌超导体进行,两个超导电极处于氧化铝绝缘体之间。

今天的量子计算机仅仅是实验。研究人员可以串起少数量子比特,就是看似神奇的比特位,它存储“1”和“0”是在同一时间,这些稍纵即逝的创作,可以运行相对简单的运算。但IBM新的研究表明,更为复杂的量子计算机已为时不远。

采用三个量子比特的芯片,IBM为更大的量子计算机奠定了基础。

本周二,IBM公司透露,有些物理学家,在纽约约克镇高地(Yorktown Heights,)沃森研究中心(Watson Research Center)取得重大进展,创造出“超导量子比特”,这属于几个研究领域,最终会带来一种量子计算机,性能呈指数倍增长,胜过今天的经典计算机。

马蒂亚斯•斯特芬(Matthias Steffen)负责蓝色巨人(Big Blue)的量子计算的实验组,他和他的小组提高了超导量子比特的性能,提高两到四倍。“这意味着,我们可以真正开始考虑更大的系统,”他说,“把这些量子比特放在一起,可进行更大的纠错。”

大卫•迪文森佐(David DiVincenzo)是德国西部量子信息研究所余利希研究中心(Jülich Research Center)教授,他和以前的同事伊夫•斯特芬(If Steffen)也认为,IBM的新的研究不仅仅是一个里程碑。“现在,这些指标首次达到必要的水平,可以开始升级量子计算,使它更加复杂,”他说。“我认为,我们很快就会看到整体量子计算模块,而不是只有两个或三个量子比特实验。”

你办公桌上的电脑遵循经典物理学定律,也就是日常世界的物理学,而量子计算机触及令人费解的量子力学性能。在经典计算机中,晶体管存储一个单一的“比特”信息。例如,如果晶体管是“打开”的,它就存储一个“1”。“如果它关闭”,它就存储一个“0”。但是,在量子计算机中,信息呈现为一个系统,它可以同时存在两种状态,这是因为量子力学的叠加原理(superposition principle)。这样的量子比特可以同时存储“0”和“1”。

例如,信息可存储为电子自旋。“向上”自旋代表“1”。“向下”自旋代表“0”。在任何给定的时间,这个自旋可以同时既向上又向下。“这个概念在古典世界几乎没有类似的情形,”斯蒂芬说。“这几乎就像是说,我可以既在这里又在你那里,而且是在同一时间。”

然后,如果你把两个量子比特放在一起,那它们就可以存储四个值:00,01,10和11。你增加越来越多的量子比特,就可以建立一个系统,性能成指数倍增长,胜过经典计算机。比如说,你就可以破解世界上最强的加密算法,只需要几秒钟。IBM指出,有250个量子比特的量子计算机,会包含更多的比特位,数量超过宇宙中的粒子。

但制作量子计算机是不容易的。这个想法首次提出是在80年代中期,我们仍然处于试验阶段。麻烦的是,量子系统这么容易“脱散”,就是从两个同时存在的状态下降到只有一个单一的状态。你的量子比特位会非常迅速地成为普通的经典比特位。

马蒂亚斯•斯特芬和大卫•迪文森佐等研究人员的目标,就是要制成一些系统,以解决这个脱散问题。在IBM公司,斯特芬和他的小组的研究,是基于一种现象,称为超导性。从本质上讲,如果你把某些物质冷却到非常低的温度,它们就会表现出零电阻。斯特芬把这描述为某种东西,类似循环闭合电路,在其中,电流可以在同一时间流向两个方向。顺时针电流代表“1”,逆时针代表“0”。

IBM量子比特的制备,是在硅基质上进行,使用铝和铌(niobium)超导体。从本质上讲,两个超导电极处于绝缘体之间,这种绝缘体也就是所谓的约瑟夫森结(Josephson junction),属于氧化铝。诀窍在于,要保持量子系统不会消相干,时间要尽可能长。如果你能使量子比特保持量子态,时间足够长,斯蒂芬说,那你就可以制成所需的纠错系统,从而运行可靠的量子计算机。

阈值大约是10至100微秒,据斯特芬说,他的小组现在已经做到了这一点,采用的是一种“三维”量子比特,所采取的方法,最初是美国耶鲁大学(Yale University)的研究人员介绍的。十年前,消相干时间更接近一纳秒。换句话说,在过去的十多年中,研究人员已经使超导量子比特性能提高了1万多倍。

IBM小组也制作了一个“受控非门”(controlled NOT gate),采用的是传统的二维量子比特,这意味着,他们可以改变一个量子比特的状态,只需要依赖另一个量子比特的状态。这也是必要的,可以制成实用的量子计算机,斯特芬说,在95%的时间,他的小组可以成功改变这种状态,这是因为消相干时间大约是10微秒。

“所以,不仅是我们单个设备的性能非常好,”他解释说,“我们演示的两个量子比特的设备是一种基本逻辑门,也足够好,至少可接近所需的阈值,制成实用的量子计算机。我们还没有到达那里,但我们正在到那里。”

结果是,研究人员现在准备制成一个系统,可以跨越几个量子比特。“接下来的瓶颈是,如何使这些设备更佳。这个瓶颈就是如何把五个或十个这样的量子比特放在一个芯片上,”斯蒂芬说,“该设备的性能足够好,现在就可以做到这一点。问题是:“你怎么把它都放一起?”

现在,它的三维超导量子比特可以延长每个量子比特的量子状态,使持续时间达到100微秒,这一时间对于你我而言是很短的,但对于电脑而言,就相当于一生的时间,这种电脑理论上可以知道一切。他们的论文,题为《超导量子比特波导腔相干时间接近0.1毫秒》(Superconducting qubit in waveguide cavity with coherence time approaching 0.1ms),还有一篇是《完整通用量子门设置接近容错阈值采用超导量子比特》(Complete universal quantum gate set approaching fault-tolerant thresholds with superconducting qubits),昨天演示后都已散发,IBM希望,科学家们现在可以集中力量研究纠错方案,进一步改善这种技术。部分启示是,IBM制作这种量子比特,采用了传统商用芯片的制造技术:这意味着,如果突破最后的障碍,那就有可能大规模生产这种技术,可以非常迅速地上规模。IBM公司估计,再用10到15年,我们就可以有可靠的量子计算机。