量子估算，作為一種遵守量子熱學規(guī)律來調(diào)控量子信息單元進行估算的新模式；相對于精典計算機的比特位（bits）來說，量子比特的處理速率更快，更適宜于高速數(shù)據(jù)搜索，也將進一步建立網(wǎng)路安全，其被人們寄寓厚望。
它可以快到哪些程度？一旦量子計算機成功問世，那人們似乎就須要改變現(xiàn)有的全部密碼和信息保護方法，由于它可以在幾秒鐘內(nèi)實現(xiàn)“暴力破解”。
盡管它可以這么高效地運算，但其內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问骄秃途C藝節(jié)目里常玩的“傳話游戲”類似——每個量子比特向身邊近來的下一個進行溝通，即使不會像游戲通常由于戴上麥克風而發(fā)生傳遞錯誤，但這些信息“挨家挨戶”傳遞的方法其實也并不變得這么的前沿而且快速。
不過現(xiàn)在，來自英國耶魯學院的研究團隊突破了這一信息傳遞限制，她們證明了兩個量子估算組件，也就是“自旋”硅量子比特在計算機芯片中，盡管它們相距較遠也可以互相作用。這項研究成果發(fā)表在了最新一期的刊物上。耶魯學院化學系的中學生Felix、聯(lián)合研究學者G.Croot、J.，現(xiàn)已在微軟工作的X.Mi，以及“尤金·希金斯”物理學院士JasonR.Petta共同完成了該研究。
圖|研究團隊合照（來源：Felix,）
突破量子比特信息傳輸限制
作為這項研究的負責人，JasonR.Petta表示：“在硅芯片上跨越這個距離來傳輸信息的能力，將為我們的量子硬件帶來新的功能。”
對于該研究的目標，Petta解釋道：“我們的最終目標是在一個二維網(wǎng)格中排列出多個量子比特，因而讓其執(zhí)行更為復雜的估算。從長遠的角度來看，這項研究有助于改善單一芯片上、還有芯片與芯片之間的量子位元通訊情況。”
量子計算機之所以具有極大應用潛力，主要在于和傳統(tǒng)計算機的二補碼相比，其比特都有0和1的狀態(tài)；并且量子計算機還存在一個0和1之間的任意線性組合，屬于一種像“薛定諤的貓”一樣的疊加狀態(tài)。假如將多個量子比特置于一起，這種疊加狀態(tài)之間又互有關(guān)聯(lián)，還能儲存和估算更多的數(shù)據(jù)。
簡言之，多個量子比特在某一次操作以后不是僅代表多個比特“0”和“1”的一種組合，而是可以代表所有可能的態(tài)。這樣在運算的時侯，采用量子比特則是把所有態(tài)一起估算，可大大推動運算速率。而假如能夠進一步讓量子比特趕超“面對面”的距離進行聯(lián)系，則可能更大程度降低量子計算機的潛力。
所以，讓成千上萬個量子比特可以相互通信是量子計算機這個“未來化”項目的關(guān)鍵。目前，來自微軟、IBM，以及其他公司的量子計算機原型已包含幾十個量子比特，這種量子比特都是由超導電路技術(shù)制造的。但許多技術(shù)專家覺得：從長遠來看，基于硅的量子比特更有前途。
另外，硅載流子量子比特保持其量子態(tài)的時間，要長于超導電路量子比特的量子態(tài)時間。同時，硅作為在日常生活中被廣泛應用的電子器件材料，其生產(chǎn)成本較低。但應用硅的話，就須要面對一個巨大的挑戰(zhàn)：硅載流子量子比特是由單個電子構(gòu)成的，但是規(guī)格十分之小，未能完善挺好的聯(lián)接。
圖|載流子硅量子比特在芯片上和另一個較遠的進行通訊（來源：Felix,）
為解決這一問題，研究人員通過一根“電線”將量子比特聯(lián)接上去，這條“電線”的形態(tài)與連入家庭的光纖電纜線比較相像。不過，不同的是導線實際上是包含著一個光粒子或光子的窄小腔體，它從一個量子比特接收信息并將其傳送給下一個。
這兩個量子比特之間的距離大概是半分米，和一粒面粉的寬度相當。從規(guī)格角度進行類比，假如每位量子比特都像一棟房屋那般大小，這么這個量子比特就可以向1200公里之外（距離和上海到南京相當）的另一個量子比特發(fā)送信息。
能進行信息溝通的關(guān)鍵，就是要讓不同量子比特之間，以及腔體中的光子“說同一種語言”，而這也是該研究的關(guān)鍵之處。研究人員嘗試將這三種粒子調(diào)節(jié)到一個相同的震動頻度，最終成功地調(diào)整好兩個獨立的量子比特，并將它們耦合到了光子上。在此之前，這些設備的結(jié)構(gòu)只能容許一個量子比特和光子耦合。
論文的第一作者、研究生Felix對外表示：“你必須平衡芯片兩側(cè)的量子比特能量和光子能量，能夠讓這三種元素相互交流，這是工作中真正具有挑戰(zhàn)性的部份。”
每位量子比特都由捕獲了一個電子的、被稱為“雙量子點”的小空間組成。電子具有一種叫作“自旋”的特點，它可以指向上或下兩個方向，如同手冊針指向南北一樣。通過用微波場轟擊電子，研究人員可以上下翻轉(zhuǎn)載流子，進而控制量子比特處于0或1的量子態(tài)。
更緊貼產(chǎn)業(yè)的量子估算里程碑
這項研究一經(jīng)發(fā)表，便在數(shù)學學界引起廣泛關(guān)注。全球著名的數(shù)學研究門戶網(wǎng)站在發(fā)布這項研究新聞過后，短時間內(nèi)就得到了超過2000次的轉(zhuǎn)發(fā)。其實，相比上去，評論數(shù)多少變得有些“寂寞”；其實是只有業(yè)界大鱷能夠點評一二。
圖|官網(wǎng)截圖（來源：）
日本HRL實驗室的中級科學家，也是與此研究合作過的Ladd對媒體說：“這是第一個能證明硅中電子載流子之間的距離遠遠小于容納電子載流子糾纏態(tài)的裝置。不久曾經(jīng)，因為對微波耦合載流子的要求，以及要避開硅基元件中聯(lián)通的噪音電荷的互相沖突鍺與量子通訊，人們對這是否可行形成了懷疑。”
“而這是硅量子比特的一個重要的可能性證明，它為怎樣聯(lián)接量子比特，以及在未來設計基于硅的量子微芯片的幾何布局上降低了相當大的靈活性。”補充道。
這項研究的成功，構(gòu)建在JasonR.Petta團隊過往在該領域的大量研究工作，以及其他科研人員相關(guān)突破的基礎之上。此前，和兩大刊物上發(fā)表了不少與之相關(guān)的技術(shù)發(fā)展文章。
在2010年發(fā)表于刊物上的一篇論文中，化學學家證明了在量子阱中捕獲單個電子是可能的。在2012年的刊物上，又報導了從納火鍋中的電子載流子向微波頻度的光子傳遞量子信息的過程。四年后，2016年的刊物則彰顯了從硅基電荷量子比特向光子傳遞信息的能力。
近來三年的研究結(jié)果則更為Petta團隊提供了實驗基礎。2017年，刊物上展示了如何以量子比特為單位的近鄰信息交換；隨即，在2018年的刊物上又展示出一個硅載流子量子比特與一個光子交換信息的實驗。而正是該領域?qū)W者們的不斷積累鍺與量子通訊，最終幫助Petta的研究團隊完成了這次研究突破。
圖|左為James；右為（來源：Wiki）
英特爾量子硬件主管James表示：“多個量子比特之間的布線或互連，是大規(guī)模量子計算機面臨的最大挑戰(zhàn)。而Petta的團隊在證明載流子量子比特可以長距離耦合方面作出了卓越的成果。”
耶魯學院電氣工程學院士，也是“黃仁勛全球影響力”教授稱號獲得者對此評價：“這項可以證明量子比特之間的長距離互相作用的成果，對于進一步發(fā)展比如模塊化量子等量子技術(shù)至關(guān)重要，是朝著這一目標邁向的重要里程碑。由于它證明了由微波光子介導的、間隔超過4毫米的兩個電子載流子之間的非局部互相作用。”
她還非常指出：“在電路中，該團隊采用的是硅和鍺這些半導體工業(yè)中大量使用的材料。而這會讓研究更具有實用價值。”