大型量子計算機設計圖完成，誰能第一個建造出來？

剩下唯一要做的，就是真正去建造它。

英國薩塞克斯大學的一組研究人員近日公布了一份大型量子計算機的建造藍圖，他們聲稱這是首份切實可行的設計藍圖。或許，這可以被稱為一次「量子躍遷」式的重大突破。

《科學進展》雜誌（Science Advances）近日發表的一篇論文稱，薩塞克斯研究團隊設計的量子計算機利用了他們自己發明的一種新設備，該設備可以讓量子信息通過電場，從量子計算機的一塊微晶元傳輸到另一塊晶元，而不需要用到光纖纜線。這將讓微晶元之間的傳輸速度比目前光纜連接所能達到的速度快出10萬倍。

「一直以來，人們通過大量研究，實現了一次次創新，讓我們一步一步接近量子計算機。」薩塞克斯大學離子量子技術團隊的負責人溫弗里德·亨辛格（Winfried Hensinger）說，「但我們所做的有所不同：我們為建造大型量子計算機制定出了一套詳盡的方案。」

換句話說，該團隊整合了量子計算領域的一些獨立創新，為建造世界上第一台大型量子計算機制定出了一份細緻入微的技術藍圖，其中涵蓋了從內部電子元件到機器功率規格在內的一切要素。

如果這台大型量子計算機真的建造出來，它將在電子計算領域掀起一場徹底的革命。

因為它能夠處理傳統二進位計算機根本無法完成的任務。這種能力源於量子計算機處理信息的方式——與使用比特（1或0）存儲信息的傳統計算機不同，量子計算機使用的是量子位（可以是0，可以是1，也可以是1和0的疊加狀態）。專家擔心，量子計算機將能輕鬆破解如今廣泛使用的一些加密技術，他們目前正在為這種可能性預做準備。

對於如何建造量子計算機，研究人員曾提出了不少方案，但其中最有前景的一種被稱為「陷俘離子式量子計算機」，薩塞克斯團隊在其藍圖中描述的正是這一種。顧名思義，這種類型的量子計算機利用了「陷俘」在電磁場中的離子（即帶電的原子或分子）。

通過改變這些離子的狀態——辦法就是利用微波將原子所帶電子從一個能量級遷移到另一個能量級——研究人員讓它們充當起了量子位，或稱量子信息的載體。要建造出量子計算機，這些量子位之間必須發生交互，要麼通過激光器改變它們的實體位置，要麼讓它們釋放出光子（這些光子隨後會通過光纜進行傳輸）。

在薩塞克斯團隊的藍圖中，量子計算機由一系列手掌大小的微晶元模塊組成。據亨辛格稱，每個模塊將能陷俘大約2,500個離子。當這些微晶元通電之後，電壓產生的電場將會捕獲離子，並使其飄浮在微晶元的上方。不過，亨辛格及其同事並沒有使用激光器或光纜等複雜裝置來讓不同微晶元的離子產生交互，而是發明出一種設備，利用電場本身，把離子從一塊微晶元傳輸到相鄰的微晶元。

「他們試圖簡化量子位的控制機制。」加拿大滑鐵盧大學量子計算研究所的聯合創始人米歇爾·莫斯卡（Michele Mosca）說，「因此，他們沒有通過大量的激光器去控制單個離子，而是設計出了這種（電場）方案。這種辦法很獨特。」莫斯卡本人並未參與薩塞克斯團隊的研究。

陷俘離子式量子計算機核心部分的原型。

除了相對於使用光纜連接的速度優勢之外，薩塞克斯團隊發明的設備還帶來了另一項重要改進：技術更加簡單，成本也更加低廉。

如果你的量子計算機只需控制少量離子，那麼激光器的效果將會非常出色。但如果想要一台能夠破解當今所有加密技術的量子計算機，它內部運行的離子將多達數百萬個，也就需要數百萬個激光器，而在當前的技術條件下，這是無法實現的。事實上，到目前為止，研究人員建造的陷俘離子式量子計算機，連區區十幾個量子位都很難控制。

另一方面，薩塞克斯團隊設計的量子計算機應該可以通過現有技術實現，而且它所能控制的量子位數量也要多得多。亨辛格希望能在未來兩年內建造出一個小型原型機，從而證明其設計方案的可行性。這個原型機將只包含兩塊微晶元，但如果它能成功，就有可能成為構建大型量子計算機的基礎，後者將可以運行數百萬個量子位，佔據的空間相當於一個足球場，耗資也將超過1.2億美元。

我們要過多久才能建造出大型量子計算機，誰也說不準。就像傳統計算機並非一日建成，量子計算機也將在一次次的增量改進中逐漸成形——亨辛格表示，關鍵在於，現在是時候開動起來了。

「這不是能一蹴而就的事情，但我們的藍圖指明了哪些工作需要提前做好。」亨辛格說，「這件事將耗費巨資，而且困難重重，但我認為，現在我們可以開始思考建造這台機器所需的工程技術。」

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