更簡單量子計算系統，大幅提升量子計算機「糾纏」量

在一些計算問題上，量子計算機提供了巨大的速度提升，因為它利用了被稱為「糾纏」的奇特物理屬性——其中一個微小顆粒的物理狀態取決於對另一個的觀測。在量子計算機中，「糾纏」是一種計算資源，相當於晶元的時鐘周期或者傳統計算機的內存。

在最近刊登在《美國科學院學報》的論文中，來自IBM沃森實驗室和麻省理工學院（MIT）的研究者展示了一個簡單的量子計算系統，與過去相比，它的「糾纏」量有指數級提升。這意味著量子計算機或者量子信息設備的計算能力，已經接近我們實際運用需求的預期了。

傳統計算機的計算單位以比特命名，量子計算機以量子位命名。過去，研究者認為在某一類簡單的量子系統中，「糾纏」的程度最好和量子位數的對數成比例。

「人們其實並不關心系統的物理屬性，系統在實驗室條件下能實現什麼才是大家關心的，比如系統日誌的大小。」IBM沃森實驗室的研究者表示，「我們所證明的是「糾纏」的規模是系統尺寸的平方根，它確實達到了指數級別」。

這意味著原來1億比特的量子計算機可以表述約10倍的「糾纏」數量，「糾纏」數量發生了指數級別變化。

邏輯量子位與物理量子位

這是因為在量子計算中，邏輯量子位和物理量子位之間存在區別。邏輯量子位是用於制定量子演算法的抽象量子位。物理量子位是一部分物質，其量子狀態是可控的，並且與其他量子位的量子狀態相互「糾纏」。據說，擁有100個邏輯量子位的計算機已經超過了世界上所有常規計算機的計算能力。但是，這一點很難達成，對於通用量子計算機的理論設計而言，實現一個邏輯量子位需要100個物理量子位。多數物理量子位用於量子糾錯和邏輯位之間的編碼操作。

由於保持大量子位組之間的「糾纏」是開發量子器件最大的障礙，因此從更小的量子位簇提取更多的「糾纏」可使量子計算裝置更實用。

量子位類似常規計算機中的比特位，但是比特位可以取值0或者1，量子位可以被「疊加」。這意味著它同時可以採取2個值。如果量子位被「糾纏」，它們可以同時承擔所有可能的狀態。一個量子位可以採取2個狀態，兩個量子位有4狀態，3個有8個狀態，四個有16個狀態……從某種意義上說，評估「計算替代力」賦予量子計算機非凡的能力。

在新論文的工作中，來自MIT的Peter Shor和Movassagh主要負責分析被稱為自旋鏈量子位的系統。在量子物理學中，「旋轉」描述了電子、原子或者分子磁場中定向的方式。Shor和Movassagh認為量子位可以有5種自旋狀態：兩個向上狀態，兩個對應向下狀態，以及0或者稱平坦狀態。

理論科學家其實已經證明自旋中的強糾纏，具有21個自旋態，並以複雜的方式彼此相互作用。但是，這樣的系統在實驗室中極難構建。

自旋鏈

一個自旋鏈可以被設想成彼此相鄰排列的粒子序列。自旋鏈間的相鄰顆粒的相互作用決定了系統的總能量。

首先，Shor和Movassagh發現了所有凈能量為零的自旋鏈的所有可能的集合。這意味如果某處有一個向上旋轉，那麼另一處一定有個向下的旋轉。

然後，他們考慮了自旋鏈的所有可能狀態的疊加。但是，該論文的主要突破是將疊加轉換為哈密爾頓運算元的最低能量狀態。

哈密爾頓運算元是在描述量子系統演化的標準時的一個矩陣。對於系統中的任何給定狀態的粒子而言，哈密爾頓運算元提供了系統總能量。

Movassagh說，在過去的30年，沒有人找到一個哈密爾頓運算元的粒子，其最低能量狀態非常多樣。另外他說：「起初，我們想證明一個不同的問題，試圖提出一個模型，證明一些關於糾纏的一般定理，一直失敗；但是，由於失敗，我們的模型變得越來越有趣，有些模型開始違背這個對數因子，最後，我們接受了這個事實。」

來自弗吉尼亞大學的教授IsraelKlich說：「這是一個漂亮的結論，它確實激起了物理學家部分領域的興趣，其結果非常簡潔。這個相對簡單的哈密爾頓運算元的基態可以通過簡單的組合方法來理解。受到這項工作的啟發，我們最近在這個模型上引入了一個更加複雜的新變體，其實際上是「糾纏」的線性放縮。其可行性的原因在於，如果看看基態波函數，便很容易理解「糾纏」如何建立。這一點給了我們想法，如何串起更多『糾纏』。」

但是，來自牛津大學的JohnCardy認為MIT研究者的哈密爾頓運算元並沒那麼簡單。當我們有了物理上合理的哈密爾頓運算元時，我們可以把它們寫在表達式中，但是，想徹底解釋這些元素的組合時，仍需要我們去探索。這其實就是科學發展的方式——你先找到一個樣例，然後你可以找到其背後更多理論。

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