30年来，研究人员一直在追求通用量子计算机，这是一种可以解决任何计算问题的设备，其成功程度各不相同。现在，加利福尼亚州和西班牙的一个团队制造出了这种设备的实验原型，它可以解决化学和物理等领域的广泛问题，并有可能扩展到更大的系统。
IBM和一家名为D-Wave的加拿大公司已经使用不同的方法创建了功能正常的量子计算机。但是，它们的设备不容易扩展到解决经典计算机无法解决的问题所需的许多量子比特（qubits）。
谷歌位于加利福尼亚州圣巴巴拉的研究实验室的计算机科学家，以及加利福尼亚大学圣巴巴拉分校和西班牙毕尔巴鄂巴斯克地区大学的物理学家，在《自然》杂志在线描述了他们的新设备。
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南加州大学洛杉矶分校的量子计算专家丹尼尔·利达尔说：“这是一项非常出色的工作，并且为量子计算界提供了宝贵的经验教训。”
谷歌原型结合了量子计算的两种主要方法。一种方法是使用特定排列的量子比特构建计算机的数字电路，以解决特定问题。这类似于传统微处理器中由经典比特制成的定制数字电路。
大部分量子计算理论都基于这种方法，其中包括纠正可能导致计算出错的误差的方法。到目前为止，实际应用仅在少量量子比特上成为可能。
模拟方法
另一种方法称为绝热量子计算（AQC）。在这里，计算机将给定问题编码到一组量子比特的状态中，逐渐演化和调整它们之间的相互作用，以“塑造”它们的集体量子态并达到解决方案。原则上，几乎任何问题都可以编码到同一组量子比特中。
这种模拟方法受到随机噪声影响的限制，随机噪声会引入无法像数字电路中那样系统地纠正的错误。谷歌团队成员，计算机科学家拉米·巴伦德斯说，并且不能保证这种方法可以有效解决每个问题。
然而，只有AQC提供了首批商业设备——由位于不列颠哥伦比亚省伯纳比的D-Wave制造——每台售价约1500万美元。谷歌拥有一台D-Wave设备，但巴伦德斯和同事认为，有一种更好的方法来实现AQC。
特别是，他们希望找到某种方法来实现纠错。如果没有纠错，扩展AQC将很困难，因为错误在较大的系统中累积得更快。该团队认为，实现这一目标的第一步是将AQC方法与数字方法的纠错能力相结合。
虚拟化学
为了做到这一点，谷歌团队使用了一排九个固态量子比特，这些量子比特由十字形铝膜制成，尖端到尖端约400微米。它们沉积在蓝宝石表面上。研究人员将铝冷却到0.02开尔文，使金属变成没有电阻的超导体。然后可以将信息编码到超导状态的量子比特中。
相邻量子比特之间的相互作用由“逻辑门”控制，这些逻辑门以数字方式引导量子比特进入编码问题解决方案的状态。作为演示，研究人员指示他们的阵列模拟一排具有耦合自旋态的磁性原子——这是一个在凝聚态物理学中经过深入研究的问题。然后他们可以观察量子比特，以确定原子所代表的自旋的最低能量集体状态。
对于经典计算机来说，这是一个相当简单的问题。但是，新的谷歌设备也可以处理所谓的“非斯托克斯”问题，经典计算机无法解决这些问题。这些问题包括对许多电子之间相互作用的模拟，这对于化学中的精确计算机模拟是必需的。在量子水平上模拟分子和材料的能力可能是量子计算最有价值的应用之一。
利达尔说，这种新方法应该能够实现具有量子纠错功能的计算机。尽管研究人员在此并未展示这一点，但该团队此前已展示如何在他们的九量子比特设备上实现这一目标。
谷歌团队的另一位成员阿里雷扎·沙巴尼说：“通过纠错，我们的方法变成了一种通用的算法，原则上可以扩展到任意大的量子计算机。”
谷歌设备仍然只是一个原型。但利达尔表示，在几年内，拥有超过40个量子比特的设备可能会成为现实。
他说：“到那时，将有可能模拟经典硬件无法访问的量子动力学，这将标志着‘量子优势’的到来。”
本文经许可转载，并于2016年6月8日首次发表。