主题：【文摘】量子计算机专题 -- 不爱吱声

能被用于量子计算机的一个几乎完美的物理系统是单分子，其中单原子的核子自旋代表了qubit的1。使用核磁共振（NMR）技术，该技术发明于19世纪40年代，目前在化学和医学领域广泛应用，这些自旋能被控制，初始化和测量。

　　核磁共振又叫做磁共振，世上万物均由分子组成，而分子是由原子组成，原子是由原子核和围着核旋转的电子组成，原子核又是由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。许多原子核的运动则类似“自旋体”，不停地以一定的频率自旋。如设法使它进入一个恒定的磁场，它就会沿着这磁场方向回旋。这时用特定的射频电磁波去照射这些含有原子核的物体，物体就会显著地将电磁波吸收，这就是磁共振现象。

　　大部分使用的NMR都把自旋态看作小的条形磁体，然而实际上，天然独立的的核子并不同于宏观世界的物体。这些自旋的量子行为能被用于量子计算。小规模的量子运算规则已经用丙胺酸分子（一种氨基酸分子）进行了实验室演示。这包括量子研究运算规则和一个量子分解运算规则的处理器。

　　目前，日本已经开发成功一种量子元件――“单个电子晶体管”，可以控制单个电子的运动。这样的晶体管不仅体积小，而且功耗特低，比目前功耗最小的晶体管低约1000倍。日本富士通公司正在开发量子元件超高密度存储器，在1平方厘米面积的芯片上，可存储10万亿比特的信息，相当于可存储6000亿个汉字。美国物理学家也开发成功电子自旋晶体管，有可能将集成电路的线宽降至0.01微米。在一个小小的芯片上可容纳数万亿个晶体管，使集成电路的集成度大大提高。

从量子计算机的概念出现之后，量子信息处理的领域已经取得了很大数量且极有希望的进展，这些进展包括建立了2和3位qubit的量子计算机，能够运行一些简单的算法，也能进行数据存储。但是，一些潜在的巨大障碍仍然阻止我们建立一个能够对抗现代数字计算机的量子计算机。

　　在这些困难之中，更正错误、脱散和硬件结构可能是最可怕的。更正错误顾名思义，但是什么错误需要更正呢？因为脱散（或者说量子计算机因为和环境状态的相互影响或纠缠）从给定状态向不连贯状态衰减的倾向所产生的错误需要更正。在环境和qubit之间的交互作用是不可避免的，这种交互作用使得储存在量子计算机中的信息衰减并导致计算错误。在量子计算机能够解决困难的问题之前，研究者们必须设计一种方法使脱散和其它潜在问题源能够得到有效控制。量子错误纠正理论的出现无疑是一道曙光，这个理论首先出现在1995年并且从那时起即开始持续发展，现在已经实现。目前，小规模的量子计算机已经建立，而大型量子计算机也将于不久的将来成为现实。

　　可能这个领域最重要的思想即是在相位一致中更正错误的应用，相位一致是一种不用测量系统就能够筛选信息减少错误的方法。1998年，在Raymond Laflamme领导下的Los Alamos国家实验室和麻省理工的研究者们设法使一位量子信息（qubit）穿过液态丙胺酸分子或三氯乙烯分子的三个核子的自旋从而扩展了信息。他们通过核磁共振（NMR）技术完成了这项工作。

　　这项实验很有意义，因为被扩展的信息实际上很难被破坏。量子动力学告诉我们直接测量qubit的状态不可避免的要破坏量子存在的那些状态的交叠，迫使量子存在的状态变为0或1。扩展信息这项技术允许研究者们利用纠缠的性质作为一种分析量子信息的间接方法研究状态之间的相互作用，从而避免了直接测量。研究者通过比较自旋试图发现不研究信息自身能否找到在它们之间所产生的新的区别。

　　这项技术使他们有能力在一个qubit的相位一致中发现并修复错误，因而保持量子系统的高度一致性。这一转折点对那些怀疑量子计算机的人提出了有力反击，而且给那些支持量子计算机的提供了希望。当前，加利福尼亚理工学院、微软、Los Alamos和其它一些地方的研究者仍在继续量子错误更正的研究。

　　在这一点上，只有一些量子计算机的优点是显而易见的，而在量子计算机的更多的可能的优点出现之前，许多理论仍需检验。为了做到这个，必须建造用于量子计算的设备。但是，量子计算的硬件仍在初级发展阶段。作为几个有意义的实验的结果，核磁共振（NMR）已经变成了量子硬件结构中最受欢迎的单元。仅仅在过去的一年中，一组Los Alamos国家实验室和麻省理工的研究者就建立了第一个使用了核磁共振（NMR）技术并用于实验示范的量子计算机。

　　当前，这方面的研究尚在起步之中，研究的目的就是试图发现一些对抗脱散效果的方法，使得能够发展一个理想的硬件结构用于设计和建造量子计算机，并能够利用这些设备中的巨大的计算力进一步揭示量子运算法则。自然，研究的进步是和量子错误纠正编码和量子运算法则密切相关的，所以研究者们也同时在这些领域进行研究。现在，研究已经设计到了离子捕获（ion traps）、空穴量子电气力学（QED）和NMR。

　　尽管这些设备在这些实验当中已经取得了一定程度的成功，但是每种技术仍然有它自身严重的局限性。离子捕获计算机局限于在陷阱中的模式的震动速度。NMR装置则在系统增长中有一个按指数规律衰减的信号成为qubit的噪声干扰。空穴QED相比前两种虽然好一点，但是它仍然只能用一些qubit示范。Seth Lloyd是麻省目前在量子硬件领域最卓越的研究者。量子计算机硬件结构的未来可能和我们现在所知的结构孑然不同，但是，当前的研究有助于为未来这些装置所可能遇到的困难提供一点认识。

虽然IBM声称他们已经研制出5个qubit位的量子计算机，但是权威科学家认为目前还没有真正意义上的量子计算机问世。现在所出现的那些用于演示用的量子计算机只不过是为了向人们展示量子计算机所具有的某些优异性能，并不能称为量子计算机。

　　虽然量子计算机从某种程度上来说只能是我们的设想，但是量子计算机和量子信息技术在科技界的领先地位却是不可动摇的。在这个非常的时刻，科学家们正在逐渐克服障碍从而把量子计算机推进到一个合适的地位，使得量子计算机能够成为现存最快的计算机器。错误更正是一项令人欣慰的成就，它的出现使我们能够利用现有工具建立一台足够强大的量子计算机来抵挡脱散的影响。另一方面，量子硬件虽已形成领域，但是已完成的工作却暗示着在我们能够拥有一些足够大的设备来检验Shor和其它的量子运算法则之前还有一段路要走。然而，量子计算机将会尽快作为超级计算设备出现，可能未来的某天，你会发现现代的数字计算机已经因为过时而被丢进了历史的垃圾堆。量子计算虽然起源于理论物理这个高度特殊的领域，但是它的未来无疑有着深远的意义，它必将对全人类的生活产生深刻的影响。