彎道超車？美國物理學家攻克量子計算機所需關鍵組件！

我國近年來在量子通訊、量子計算領域的發展可謂突飛猛進，2013年6月8日，由我國潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊全球首次實現了用量子計算機（quantum computer）求解線性方程組的實驗，這一成就被公認為是量子信息技術最具前景的應用之一。

據介紹，線性方程組廣泛應用於幾乎每一個科學和工程領域。日常的氣象預報，就需要建立並求解包含百萬變數的線性方程組，來實現對大氣中溫度、氣壓、濕度等物理參數的模擬和預測。而高準確度的氣象預報則需要求解具有海量數據的方程組，假使求解一個億億億級變數的方程組，即便是用現在世界上最快的超級計算機也至少需要幾百年。

儘管如此，現階段的所謂量子計算機仍停留在一個玩具的階段，只能進行1+1=2的簡單運算，國外量子領域知名教授Bennett表示，真正做出有實際應用價值的量子計算機或許要等到10年，甚至50年之後！不過，近日來自美國的科學家們表示他們已經發明出了量子計算機所需的關鍵基本組件，讓我們離量子計算機更近了一步。

量子計算機是一種遵循量子力學規律，並可進行高速數學與邏輯運算、處理及存儲量子信息的物理設備裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法時，它就是量子計算機。

2016年，諾貝爾物理學獎授予了三名英國科學家，以表彰其利用先進數學方法來解釋超導體、薄層磁性物質等異乎尋常的物質狀態。正是基於此理論，美國斯坦福大學研究團隊與悉尼大學的科學家通過拓撲絕緣體成功將量子計算機中的重要元件——循環器的體系縮小到原來的1/1000。

最重要的是，科學家發現物質在不同狀態之間轉換而對稱性不受到破壞，就好比水分子重新排列成冰或水蒸汽時的情況。隨著將電子元件的體積縮小到幾乎接近原子的尺度，電子在不同維度上的移動方式就變得越來越重要。目前，把數十萬個量子比特（描述信號可能狀態的特徵）壓縮到足夠小的空間依舊是一個不小的挑戰。

不過，就算現有技術能夠滿足數百萬的量子比特壓縮，經典的計算機技術手段又能夠控制它們嗎？循環器類似於電信號的環形交叉口，可以確保量子信息僅在單一方向傳輸，是實現規模擴大的量子計算機在經典介面基礎上發明的全新元件。

如今，美國科學家已經證明：由特定的拓撲絕緣體製成的磁化晶圓可以攻克這項挑戰，使最終的成品體積僅為現有元件的1000分之一。

研究的主要作者Alice Mahoney表示，這種緊湊型循環器可以在各種量子硬體平台上使用，且不受特定的量子系統限制。

科學技術的發展過程充滿了偶然和未知，就算是物理學泰斗愛因斯坦也決不會想到，為了批判量子力學而用他的聰明大腦假想出來的EPR態，在六十多年後不僅被證明是存在的，而且還被用來做量子計算機。

迄今為止，全世界並沒有出現真正意義上的量子計算機。但是，全球各地的實驗室、科學家們正在付諸巨大的熱情實現這一夢想。隨著科技的發展，或許不久的將來我們就會看到有關量子計算機的爆炸式新聞。那一天，哪怕現在最好的超級計算機在它面前也會黯然失色。

文/朱張航宇

參考文獻：Zero-field edge plasmons in a magnetic topological insulator, Nature Communicationsvolume 8, Article number: 1836 (2017)

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