量子計算新突破！數據總線有望解決困擾科學家多年的難題
導語：伴隨著量子計算的深入研究，量子計算時代的大門已經叩響。而量子計算機中那些亟待解決的問題仍制約著人類進軍量子計算的步伐。目前，量子物理學家正在為“量子總線”的誕生奠定基礎，這種量子總線可以在未來的量子計算機的內存和處理器之間傳遞量子信息，或將解決困擾科學家多時的難題。
經典計算機把晶體管從一個狀態切換到另一個狀態，從而將數據表示為1和0，而量子計算機則是使用量子位來實現這一目的。由于量子力學的超現實性質，量子位可以處于疊加狀態，在此狀態下它們可以將1和0都表示出來。
量子位采用的疊加狀態會讓它們“一舉兩得”，即同時持有兩個狀態。如果兩個量子位在量子力學的意義上是相聯的，或者說是糾纏的，它們就可以同時擁有四個狀態，三個量子位的話，就有八個狀態，以此類推。理論上來說，300個量子位的量子計算機可以容納比可見宇宙中的原子還要多的狀態。因此，計算機算法就可以使用這種互相糾纏的量子位，在瞬間進行數量極其龐大的計算。
圖| IBM的量子計算機
量子位采用的疊加狀態會讓它們“一舉兩得”，即同時持有兩個狀態。如果兩個量子位在量子力學的意義上是相聯的，或者說是糾纏的，它們就可以同時擁有四個狀態，三個量子位的話，就有八個狀態，以此類推。理論上來說，300個量子位的量子計算機可以容納比可見宇宙中的原子還要多的狀態。因此，計算機算法就可以使用這種互相糾纏的量子位，在瞬間進行數量極其龐大的計算。
奧地利因斯布魯克大學（University of Innsbruck）的量子物理學家Hendrik Poulsen Nautrup說：“量子計算中，一個很大的挑戰就是量子對象極其脆弱。但在理論上，我們可以使用量子糾錯來保護這些對象。”
正如傳統計算機具有可用作存儲器和處理器的組件一樣，未來的量子計算機也需要能存儲數據或執行操作的量子位。這些量子存儲器和量子處理器組件將需要承受不同的噪聲閾值，量子存儲器必須具備抗變化的能力，而量子處理器必須確保它能更加靈活地變化。正因如此，量子存儲器和量子處理器就需要不同的糾錯碼。、
圖| 量子存儲器和量子處理器之間的糾錯機制
之前，研究人員已經研制出了小型量子處理器和量子存儲器。但是，因為這兩種不同類型的組件是使用不同的協議來編碼信息的，科學家們現在面臨的挑戰是如何在它們之間傳遞信息。
現在，Poulsen Nautrup和一個研究團隊已經設計出一種實現這種混合架構的可行方法。他們近期已經在《自然通訊》雜志上詳細介紹了他們的發現。“我們已經可以預想到，一臺擁有獨立組件、能夠實現處理和記憶等不同目標的量子計算機，將在不久的將來被研制出來。”
這項新技術還包括修改一些對每個邏輯量子位進行編碼的物理量子位。這項被研究人員稱之為“子系統晶格手術”的策略，可以暫時將不同的邏輯量子位“縫合”在一起，例如在量子存儲器或量子處理器中使用的量子位。一旦它們被耦合起來，信息就可以從一個系統傳送到另一個系統。
Poulsen Nautrup說：“大體上，全球各地有關的實驗室都已經有了可借助的工具，來進行原理驗證實驗。”他和他的同事們現在正在和由因斯布魯克大學的實驗物理學家Rainer Blatt領導的小組開展合作。他說：“我還不能告訴你們太多，因為研究還正在進行之中，尚未完成。但是僅僅是中間的結果，就足以振奮人心了。”
現在，越來越多的研究成果在不斷地向我們預示著即將到來的量子計算革命的藍圖，面對更具挑戰性的計算任務和海量的數據處理，量子計算是否能肩負起人類的期望？讓我們拭目以待。
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