物理学家提出模块化量子计算机构造新蓝图，大小堪比足球场

选自nature

机器之心编译

参与：杜夏德

来自英国瑟赛克斯大学的量子物理学家们已经勾画出利用现有技术建造量子计算机的蓝图，可能会解决一些当下未解决的重要问题，比如对大数字进行质因数分解。据该机器的设计师介绍，这样的一个机器会比一个足球场还大，至少要花费 1 亿英镑（1 亿 2600 万美元）。点击「阅读原文」查看相关论文

「是的，它会很大，也很昂贵，但现在绝对可以建造出来，」该研究团队的负责人，英国瑟赛克斯大学量子物理学家 Winfried Hensinger 说到。该蓝图的相关论文已经发表在 2 月 1 日的 Science Advances 上。

囚禁离子量子计算机内核的原型

该蓝图不是第一个建立实用的量子计算机的想法，它提出了严峻的工程挑战，澳大利亚悉尼新南威尔士大学的量子物理学家 Andrea Morello 说到。但它的目标雄心和使用的方法是非凡的。「我认为这是一个具有里程碑意义的论文，它将会对这个社区产生持续多年的影响。」

「虽然这个建议非常具有挑战性，但我希望量子社区中有更多的人会认为这是个大项目。」马里兰大学的物理学家 Christopher Monroe 也认同这个蓝图。

量子架构

量子计算机将利用量子粒子的显著特性进行一定的计算，速度比传统计算机快数倍，世界各地的团队都在竞相建立大规模的量子计算机，但到目前为止，大多数设计目标都是几十个量子比特。然而做一些有用的计算，例如寻找大数的质因数可能需要数千个量子比特。

Hensinger 的团队建议使用被磁场囚禁的离子创造其量子比特，这是一种物理学家已经研究了 20 多年的方法。使用囚禁离子的量子比特技术建造一台计算机所需要的大部分组件已经被找到，Monroe 说。「我们的社区需要的是一个能轻松建立这样一台计算机的系统工程。」

在 Hensinger 的蓝图中，数千个手掌大小的方形模块会结合在一起产生-理论上的-一个任意大小的量子计算机。该设计的关键是如何克服实际问题，比如尤其是如何散去机器产生的热量。「在量子计算领域很少有人考虑这种高层次的问题，要么是因为大家认为关心这个问题是件蠢事，要么就是在自己的物理系统中，揣测这样一个高层次的问题几乎是不可能的，」Monroe 说到。

在每个模块中，将有大约 2500 个被囚禁的离子量子比特悬浮在磁场中，以免受干扰，影响它们微妙的量子态。执行操作时，相邻的离子会以 X 网格型穿梭互动，类似于 PacMan 中角色的招牌动作。

速度和规模

该团队并没有使用单独的激光来控制每个被囚禁的离子——这是一个规模巨大的工程建设，他们提出的是使用覆盖整个计算机的微波辐射场来控制量子比特，这么做只需要一个本地的电压。科学家们建议使用液氮保持系统的冷却。

离子自己会在芯片之间跳跃来传输模块之间的信息——这种技术能产生比使用光波和光纤传输信号快 100,000 倍的芯片间连接速度，Hensinger 说。单独的模块将是可替换的，它们建立在硅基上，这些可以使用传统电子工业中使用的技术制造，他补充道。

为了找到 2048 位（或长 617 位）数字的质因数——传统的计算机无法做到——量子计算机需要 20 亿比特的离子，大约要花 110 天才能解决这个问题，Hensinger 说。这将会使研究人员破解当今最好的加密系统。

在理论上，这样的计算只需要 4096 个量子比特，但是考虑到当下质量一般的离子量子比特囚禁技术会出现一定的错误率，因此实际上可能需要 20 亿个离子。但降低量子比特造成错误率可以大大减少计算机的尺寸，也许可以降到一个大房间的大小，Hensinger 说。

所有打造量子计算机的团队都受面临着巨大的技术挑战，比如如何做强磁场梯度和需要精确控制工程的量子比特操纵。但 Hensinger 和他的同事正在建造一个基于他们自己设计的原型，以展示他们的计划真的具有可行性。

「这项工程将是一个非凡的工程挑战，但这是值得追求的，」Morello 说。

论文：Blueprint for a microwave trapped ion quantum computer

摘要：通用量子计算机的实现可能会对众多的研究领域和整个社会产生颠覆性影响。越来越多的科学和工业社区正致力于打造这样的设备。建造一个任意大的量子计算机最好使用模块化的方法。我们提出了一个基于囚禁离子的可扩展量子计算机模块的蓝图，使得基于长波辐射量子门建立可扩展量子计算机体系结构成为了可能。这些模块控制所有作为独立单位的操作，它们是利用硅微加工技术构建的，这些都是现有的技术。为了执行所需的量子计算，这些模块利用基于长波辐射的量子门技术。为了扩展这个微波量子计算机体系结构的尺寸，我们提出了一个完全可扩展的设计，该设计利用不同模块之间的离子传输，从而允许任意数量模块得以连接，以构造大型设备。一个高的错误-阈值的表面误差校正代码可以部署在我们提出的架构中，以执行容错操作。通过适当调整，我们提出的模块也适用于可替代的囚禁离子量子计算机体系结构，如使用光子互连的计划。