物理学家已经勾勒出一个利用现有技术构建量子计算机的蓝图，该计算机将强大到足以破解重要且目前无法解决的问题，例如分解巨大的数字。
其设计者表示，这样一台机器需要比足球场更大，而且制造成本至少为 1 亿英镑（1.26 亿美元）。
英国苏塞克斯大学的量子物理学家温弗里德·亨辛格表示：“是的，它会很大，是的，它会很贵——但它现在绝对可以被建造出来。”他是 2 月 1 日在《科学进展》杂志上发表的论文中发布该蓝图的团队的负责人。1
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新南威尔士大学（位于澳大利亚悉尼）的量子物理学家安德烈亚·莫雷洛表示，这个想法并不是第一个提出建造实用量子计算机的方案，而且它提出了严峻的工程挑战。但他表示，它的雄心和方法值得关注。“我认为这是一篇里程碑式的论文，它将在未来很多年里对学术界产生非常大的影响。”
马里兰大学（位于大学公园）的物理学家克里斯托弗·门罗也表示：“虽然这个方案极具挑战性，但我希望量子界有更多人能像这样放眼未来。”
量子架构
量子计算机有望利用量子粒子的卓越特性，以比传统计算机快得多的速度执行某些计算。世界各地的团队正在竞相大规模构建它们，但到目前为止，大多数设计都瞄准了数十个量子比特。可能需要数千个量子比特才能进行有用的计算，例如查找大数的质因数。
亨辛格的团队建议使用磁场捕获的离子来创建他们的量子比特——物理学家们已经为此研究了 20 多年。门罗说，构建使用捕获离子量子比特技术的计算机所需的大部分组件已经得到演示。“我们的社区需要一个系统工程的推动，以便直接构建它。”
在亨辛格的蓝图中，数千个手掌大小的方形模块将被连接在一起，在理论上产生任何尺寸的量子计算机。该设计的关键在于如何克服实际问题，例如如何散发机器产生的热量。“量子计算领域的人很少考虑如此高层次的问题，要么是因为他们认为思考那么大很傻，要么是因为在他们自己的物理系统中，几乎不可能理解如此高层次的视角，”门罗说。
在每个模块中，大约 2,500 个捕获离子量子比特将悬浮在磁场中，以防止干扰，从而影响它们微妙的量子态。为了执行操作，离子通过在 X 形网格上穿梭来与它们的邻居相互作用，类似于吃豆人角色。
速度和规模
该团队并没有使用单独的激光器来控制每个捕获的离子（这将需要大量的工程工作来大规模构建），而是建议通过整个计算机的微波辐射场来控制量子比特。为了调入和调出与更广泛的场的相互作用的单个量子比特，他们只需要施加局部电压。科学家的方案建议使用液氮来保持系统冷却。
亨辛格说，离子本身会从芯片跳到芯片，以在模块之间传输信息——这种技术产生的芯片间连接速度比使用光波和光纤传输信号的系统快 10 万倍。他补充说，单个模块是可以更换的，基于可以使用传统电子行业中使用的技术制造的硅基底。
为了找到一个 2048 位（或 617 位长）数字的质因数——这是当今任何传统计算机都无法做到的——计算机将需要 20 亿个量子比特离子。亨辛格说，他们需要大约 110 天才能破解这个问题。这将使研究人员能够破解当今最好的加密系统。
从理论上讲，此计算只需要 4,096 个量子比特，但由于当今质量一般的捕获离子量子比特技术存在错误率，因此需要 20 亿个离子。但亨辛格说，降低量子比特产生错误的速度可以大大缩小计算机的尺寸，甚至可能缩小到大型房间的大小。
任何渴望建造量子计算机的建设团队仍然面临巨大的技术挑战——例如如何制造强大的磁场梯度以及如何在操纵量子比特时实现精确控制。但亨辛格和他的同事们现在正在根据他们的设计建造一个原型，以证明他们的计划确实可行。
莫雷洛说：“建造那东西将是一项非凡的工程挑战，但这是一项值得追求的挑战。”
本文经许可转载，并于 2017 年 2 月 1 日首次发表。