两项关键进展让量子计算机比以往更接近现实

今天，两大洲的研究人员报告了量子计算领域的两项重大突破——基于熟悉的冯·诺依曼处理器内存架构构建的量子系统，以及基于量子计算机平台构建的可运行的数字量子模拟器。尽管这些进展仍局限于实验室，但它们再次表明计算领域的量子飞跃可能指日可待。

在第一项研究中，加州大学圣巴巴拉分校的研究人员表示，他们已经基于冯·诺依曼系统制造出了第一款可运行的量子计算机芯片。冯·诺依曼架构以设计该概念的工程师的名字命名，它结合了处理器和内存，是目前所有计算机的基础。（最近有一个值得注意的例外。）

这种量子 CPU（quCPU？）是一项重大突破，因为量子计算机从定义上来说很难设计。它们基于叠加的概念——量子比特或量子位可以同时存在于两种不同的状态。换句话说，它可以同时是 0 或 1，因此它可以比基于 0或1 的系统更快地执行计算。但很难让量子位保持这种状态，干扰它们（即读取它们的数据）会破坏它们的叠加能力。因此，将随机存取存储器集成到量子位中的系统是朝着工作计算机迈出的一大步。

加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员将他们的量子CPU超冷至接近绝对零度，并进行了一些计算。量子信息在存储和处理元件之间来回传输，系统表现相当不错——虽然不是完美，但这是一个开始。他们还发现量子存储器可以比量子比特保留信息的时间更长，这也是一个好兆头。

《物理世界》报道称，接下来，该团队正尝试增加单个芯片上集成的量子设备的数量，并且正在研究不同的金属材料以使这一目标更容易实现。

在另一篇量子论文中，奥地利的研究人员报告称，他们建造了第一个可以运行的量子模拟器——有点像量子计算机，但范围不同。它可以用来模拟量子系统的行为，这可能有助于改进量子计算机。

出于多种原因，对量子系统行为进行建模很有用，但正如理查德·费曼 (Richard Feynman) 在 1982 年发现的那样，这在传统计算机上是不可能的。这将花费指数级的时间，随着计算数量的增加，系统运行速度会越来越慢。对于具有 300 个粒子的量子自旋系统的一般描述，计算机需要的内存将超过世界上现有的内存——即使将宇宙中所有可观测物质都处理到内存中，正如奥地利研究人员去年所说的那样。但是，可以完成更多计算的量子模拟器不会出现这种速度减慢的情况。要制作这样的模拟器，你必须非常小心地控制模拟器的设置，这就是奥地利人所做的。

研究团队使用六个激光冷却的钙原子作为量子比特，并使用激光脉冲启动计算。据今天发表这两篇论文的《科学》杂志报道，他们发现该系统可以模拟几种类型的相互作用的自旋系统。研究人员表示，该模拟器可以重新编程以模拟任何类型的量子系统。

有了这些突破，量子计算机可能比以往任何时候都更接近现实。

[科学、物理世界]