量子計(jì)算機(jī)前段時(shí)間著實(shí)在朋友圈火了一把，這主要得益于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸朝陽教授和潘建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出10個(gè)比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)的重要成果。經(jīng)過各大新聞的爭相播報(bào)，它現(xiàn)在不僅是“人盡皆知”，更讓我國在量子領(lǐng)域步入國際領(lǐng)先行列。那么，量子計(jì)算機(jī)究竟是什么樣的呢?
簡單來說量子計(jì)算機(jī)是一個(gè)計(jì)算速度非常快的計(jì)算機(jī)，如果將現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)比做自行車，那量子計(jì)算機(jī)就是飛機(jī)。但是對(duì)于它的長相，我們現(xiàn)在無法想象，就好比處在晶體管和電子管時(shí)代的人不能想象出超大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)長什么樣。誰曾想過智能手機(jī)芯片已經(jīng)“完爆”了占地上千平方米的初期計(jì)算機(jī)呢!
話不多說，今天就帶你看看現(xiàn)在的量子計(jì)算機(jī)長啥樣。目前初級(jí)階段的量子計(jì)算機(jī)還真說不上高顏值，跟早期計(jì)算機(jī)一樣，它的“身軀”遍布在實(shí)驗(yàn)室的各處。但是談到關(guān)鍵部分，也就是量子計(jì)算機(jī)的“心臟”，那可就是“高大上”了。與現(xiàn)在計(jì)算機(jī)的CPU不同，量子計(jì)算機(jī)的核心部分是參與運(yùn)算的量子比特，通常來說是相干光子或離子。產(chǎn)生這些相干光子或離子的方法通常有超導(dǎo)環(huán)和離子阱兩種方法。其中超導(dǎo)環(huán)在多量子比特拓展方面還有一些困難，從而離子阱成為目前較為優(yōu)勢的手段。而無論是超導(dǎo)環(huán)還是離子阱，這些器件的穩(wěn)定運(yùn)行都需要極端苛刻的外界條件，那就是超高真空和極低溫，也就是說他們要凍在抽真空的“冰箱”里......
Advanced microfabricated ion traps. LEFT: High-optical access (HOA) trap from Sandia National Laboratories (Image courtesy of Duke University). RIGHT: Ball-grid array (BGA) trap from GTRI/Honeywell (Image courtesy of Honeywell).
上圖中的器件就是典型的芯片式離子阱，用于產(chǎn)生量子比特的原子就在該芯片的中心位置被激發(fā)并被電磁場和庫倫相互作用所束縛。而下圖是為芯片提供超高真空和超低溫環(huán)境的Montana超精細(xì)光學(xué)恒溫器。該恒溫器具有超低溫(3K)、超高真空的特點(diǎn)，并且提供多路自由光學(xué)通道和光線通道以及最多可達(dá)100根電學(xué)引線，是量子計(jì)算機(jī)的“心臟”所在。(做為離子阱的標(biāo)準(zhǔn)裝置，圖片來源于Christopher Monroe發(fā)表在《Nature》旗下《量子信息》雜志上的綜述文章)。說完“心臟”的外觀，那這個(gè)心臟的能力如何呢?采用傳統(tǒng)離子阱式的量子計(jì)算機(jī)方案能做到多少比特呢?預(yù)計(jì)是50個(gè)!不要小看這個(gè)數(shù)字哦，如果能夠完全利用它們的相干性，那就是250個(gè)數(shù)據(jù)量，并且信息處理速度可以達(dá)到GHz。經(jīng)過改進(jìn)的新型離子阱預(yù)計(jì)可以達(dá)到1000個(gè)量子比特甚至更多，計(jì)算能力和信息量也會(huì)大大增加，這會(huì)給以后的計(jì)算機(jī)帶來天翻地覆的變化。
Compact cryogenic UHV enclosure for trapped ions. (a) On-package vacuum enclosure, sealed in a UHV environment, that contains the ion trap, getter pumps and the atomic source. (b) Upon installation and cooling in a compact cryostat, the UHV environment is established. (c) The optical components can be arranged in a compact volume around the cryostat to support the ion trap operation.
最后再次祝賀Quantum Design的用戶陸朝陽教授和潘建偉教授在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得的驚人成就，希望祖國科研再上新臺(tái)階。
相關(guān)參考文獻(xiàn)：Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions. npj Quantum Information (2016) 2, 16034