可编程可重新配置的量子计算逐步迈向通用化 

量子计算机能为某些复杂问题提供高效的解决方案，但长期以来，构建大型通用化量子计算机一直面临许多技术难题。最近，科学家制造出了一台五量子比特的小型装置，首次通过编程实现了量子计算机的重新配置，堪称量子计算发展历程中的里程碑。

 

近距离拍摄的离子阱照片。图像来源：S. Debnath和E. Edwards

近些年，科学家们已经制造出了一些小型量子计算机。这些量子计算机由原子、电子、或超导结组成，不仅能帮助研究人员探索量子效应，而且还能运行简单的量子算法，用特定的小程序来解决特定的问题。

目前，科学家们已经寄希望于量子计算机，解决量子化学、材料科学与数据安全等领域的难题。不过，这些难题往往涉及复杂的量子算法，现有的量子计算机却都很“固执”，设计之初就只专门针对某个任务，不能通过编程来实现不同的算法。因此，科学家们希望能制造出相对成熟的量子计算机，采用编程的方式，实现各类算法的运算。

除编程工具外，可编程的量子计算机需选用合适的物理系统。Ignacio Cirac与Peter Zoller在1995年提出的量子计算机架构，是当前研究最为广泛的架构。来自美国马里兰大学（University of Maryland）的研究人员Debnath等人在该架构的基础之上，制造出了首个可编程可重新配置的量子计算机，能够运行任意算法。最近，《自然》（Nature）也以封面故事的形式报道了量子计算领域的这一重大突破。

在Debnath等人的设计中，量子比特为一系列原子离子，在磁场与电极的作用下，这些离子被囚禁在一条直线上。离子在激光的精确操纵下会发生振动，这种振动会在两个离子之间产生“纠缠”。“纠缠”是量子计算的关键要素，与其他架构不同的是，在该设计中，“纠缠”并没有仅仅局限在相邻的量子比特之间。此外，由于这种新型量子计算机之间可以相互连接，提高运算能力，所以研究人员也称其为量子计算模块。

同时，经过精密测量学的数十年发展，科学家们已经可以精细地操控囚禁离子的量子电子态，并维持其稳定。Debnath等人也利用这些先进的精密技术，对经典架构进行了改进，涉及离子的控制与测量过程，其中包括了量子比特的初始化、离子纠缠的形成、量子状态的读取等各个过程。改进后的量子计算机，其算法编译过程的平均保真度超过98%。

Monroe是这项研究的参与者之一，他说：“鲜有智能手机用户会关注手机的内在机理，计算机的使用者也一样，大可不必弄清硬件内部发生的物理过程，这样也有利于实用价值的发挥。实验中，我们用软件对量子比特进行编程与重新配置，更加充分地发挥了量子比特的功能。”

Jean Cottam Allen是美国国家科学基金会物理分会（the National Science Foundation’s physic division）的项目主管，他对这项研究成果表示了肯定，说：“这些发现正是基金会物理前沿中心项目（NSF Physics Frontiers Centers program）所盼望的。这项工作直击量子计算的前沿领域，奠定了量子计算机通用化的基础，我们又向实用化量子计算机迈出了至关重要的一步。”

为测试该量子计算机的运算能力，研究人员选用了量子傅里叶变换等三类算法。这台新型量子计算机仅包含五个量子比特，处理问题的效率非常有限，甚至比最最慢的普通笔记本电脑还要慢。不过，简单算法可用于检测多量子比特的工作情况。在复杂体系中，可能会出现量子比特单个运转时一切正常，协同工作时却出现不明错误的现象。通过运行简单的、结果已知的算法，研究人员可以得到量子处理器整体的运行状况。同时，Debnath也表示，这台量子计算机具备进行多类测试的能力，这本身就已经是巨大的飞跃了，他说：“我们的技术能够将任意两个量子比特直接配对，实现体系的重新配置，这样一来，量子处理器就能运行任意算法了。尽管我们的实验装置仅包含五个量子比特，但这项技术是可以应用到更大规模的装置中去的。”

量子算法的实现离不开量子逻辑门，在Debnath等人设计的量子计算机中，激光脉冲起到了驱动量子逻辑门的作用。研究人员提前用普通计算机获取激光脉冲的最佳形状，存储在数据库中，随后，量子处理器能够在软件的帮助下，把量子算法转化为数据库中相应的激光脉冲，从而控制量子计算过程。有意思的是，尽管数据库本身与“量子”并没有太大联系，但在该量子计算机中，数据库俨然肩负起了“中枢神经”的重任。

三大步骤

量子算法的运行过程都是由三个基本步骤组成的：第一，操控量子比特，使其处在特定状态；第二，进行量子逻辑门运算；第三，采用量子测量手段，获取算法的输出结果。

为完成这些任务，该量子计算机采用了可变换波长的激光。在量子比特的配置阶段时，研究者通过光泵浦技术（optical pumping），采用特定波长的激光去照射每个量子比特，操控量子比特进入预期的量子能态；在测量阶段，也是采用同样的激光来获取每个量子比特最终的量子状态信息。在运算阶段，研究人员变换激光，以驱动量子逻辑门运算。

Debnath指出，该量子计算机的主要优点在于，采用了激光束来实现量子计算机的重新配置，他说：“我们将算法简化为一系列的激光脉冲，作用到合适的离子上，从外部重新建立起量子比特间的相互联系。这样一来，量子计算机的重新配置问题就能通过软件来解决了，这种架构的灵活性比先前的计算机都要好。”

Shor量子分解算法是迄今量子计算领域最著名的算法，能快速分解出大数的质因子，使得量子计算机能够轻易破解目前常用的互联网安全标准。量子傅里叶变换（Quantum Fourier Transform）是Shor量子分解算法的重要组成部分，而Debnath等人所尝试的三种算法中就包括了量子傅里叶变换的算法。在这三种算法中，除量子傅里叶变换的成功率始终在70%以下外，其他两种算法（Deutsch-Jozsa算法与Bernstein-Vazirani算法）运行的成功率都超过90%。该研究团队表示，误差一方面来源于脉冲形状的残余误差，另一方面则来源于计算过程中不断积累的系统误差。从根本上来讲，这两方面的误差都是可以消除的。研究人员还注意到，量子傅里叶变换的运算会涉及所有可能的两量子比特门，因而复杂程度会大于其他量子算法。

该团队宣称，这种量子处理器中可以加入多达100个的量子比特，同时也能将多个量子处理器连接起来，提高运算能力。量子处理器之间的连接可以通过物理方法移动离子来实现，也可以通过光子在处理器之间传递信息来实现。

Debnath再次强调，虽然该量子计算机只包含了五个量子比特，但是它可以进行量子算法的编程，是一项前所未有的创新成果。目前，该团队的研究人员正在尝试向这类量子计算机中加入更多的量子比特，再运行量子算法，后续研究也将涵盖这类量子计算机的量子纠错程序等内容。

原文来源：
https://www.sciencedaily.com/releases/2016/08/160803140137.htm
http://www.nature.com/nature/journal/v536/n7614/full/536035a.html 

翻译：王舟
审稿：赵昌昊