可编程配置的“囚禁离子”：让通用量子计算机离现实更近
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(图片来源于: S. Debnath and E. Edwards/联合量子研究所 )
引言
量子计算机，以其惊人的运算能力，成为尖端创新技术的又一个热点。之前，谷歌的推出的量子计算机D-wave，宣称运算速度相当于传统经典计算机的“一亿倍”，而中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室，也称通过10到15年的努力，将构建比超级计算机快百亿亿倍的量子计算机。但是，构建大规模，“通用“的量子计算机，仍然是目前一个重要的技术挑战。
通用量子计算机的一些研究
迄今为止，国际上很多的研究小组，都尝试构建“小型”，“功能性”的量子计算机。例如，谷歌开发的通用量子计算机，使用了两种技术，其中一种技术针对特定问题的，使用特殊排列的量子位计算机电路。另外一种，就是“绝热量子计算(AQC)”，将问题编码为一组量子位，并且逐渐调整它们之间的互动，从而得到共同的量子态，来解决问题。
目前，研究人员通过组合一些原子，电子和超导结，有规律性的展示了“量子效应”，运行简单的量子算法的小程序，解决一些特定问题。然而，实验室中的设备，通常是“硬接线”的运行一个项目，或者限制在特定的量子成分间的交互模式中。
“囚禁离子”与通用量子计算机
让量子计算机可以运行任意的算法，需要“适当的物理系统类型”和一套“编程工具”。囚禁于电极附近的原子离子，是最有可能满足这些需求的平台。
在一篇刊登在8月4日的《自然》“Nature”杂志封面的论文中，联合量子研究所 （JQI），马里兰大学量子信息和计算机科学联合中心的研究人员，Christopher Monroe ，介绍了第一个“完全可编程”，“可重构”的量子计算机模块。这种新设备，之所以成为一个“模块”，是因为它可以和自己的副本连接，利用“囚禁离子”独特的属性，在五个“量子比特位”（qubit，量子计算机最基础的信息单元）上运行任何算法。
新模块中使用到的技术
新模块，建立在数十年的关于“捕获和控制”离子的研究基础上。它使用了标准的技术，也引入新的控制和测量方法。这包括，使用一组“紧聚焦”激光一次操作许多离子，以及专用的检测通道，观察每个离子的光彩。
模块及其测试和配置
团队，使用了三个小问题实例，测试了他们的模块。这个三个问题实例，目前的量子计算机已经可以快速解决。JQI 的毕业生，这项论文的领导作者，Shantanu Debnath 称，在不同的问题上测试模块，是向前的一大步。他说，通过直接连接任何一对量子比特，我们可以重新配置系统，以实现任何算法。在只有5个量子比特时候，我们就知道了如何在更大规模地应用同样的技术。
在模块的心脏里，是一些不是“量子”的东西：数据库，存储驱动量子逻辑门的最佳激光脉冲形状，以及量子算法的构建模块。这些形状，在使用常规计算机之前计算。并且，模块使用软件，将算法转换进数据库的脉冲中。
量子算法的组成以及模块中的实现
每个量子算法，有三个基本成分组成。第一，一个特殊的量子比特状态；第二，量子逻辑门序列；最后，提取算法的输出的量子测量。
模块，使用不同颜色的激光，开展这些任务。首先，离子的一种颜色，通过“光泵激”技术来准备。在“光泵激”中，每个量子比特被照明，直到它位于适当的量子能量状态。最后，同样的激光，可以用来读取每个原子粒子的量子状态。在中间步骤时，单独的激光攻击离子，驱动量子逻辑门。
这些门，就像组成传统计算机的“开关”和“晶体管”。这里，激光推动离子，并且结合他们运动的内部量子位信息，让任意模块内两个离子，通过他们强大的电斥力进行交互。整个链中的两个离子，通过这个电学交互作用，影响对方，就像在牛顿摆钟升起和释放一个球，将能量传递到另外一侧。
这种可以重新配置的激光束，是核心优势，Debnath 说，“通过将算法减少为一系列的激光脉冲，推动适当的离子，我们可以从外部重新配置这些量子比特之间的接线，” 他说，“这变成了一个软件问题，并且没有其他的量子计算架构具有这种灵活性。”
模块的QFT相关测试
为了测试模块，团队运行了三个不同的量子算法，包含了一个量子傅里叶变换(QFT)的演示，研究一个给定的数学模型多长时间重复。它是Shor的量子因子算法的核心部分，如果它在足够大的量子电脑上运行，它可以打破一些因特网上广泛使用的安全标准。IntelligentThings，之前的也写过关于“量子计算机的发展会破解RSA加密算法吗？”的文章（点此阅读），有兴趣的朋友也可以参考一下。
其中两个算法，在超过90%的时间下成功的运行，QFT的最大成功率达70%。团队称，这是由于脉冲形状的门中的“剩余误差”，和在计算过程中积累的“系统误差”引起的。从根本上来说，二者都无法被克服。他们注意到，QFT算法需要所有的两个量子比特的门，应该是最复杂的量子计算之一。
研究的意义
团队相信，最终更多的量子比特，可能有100个，会被加入他们的量子计算机模块中。通过物理的移动离子，或者使用光子在它们之间携带信息，可以将不同的独立模块连接到一起。
Debnath 说，尽管模块只有五个量子比特，但它很灵活，可以编程运行之前没有运行过的量子算法。研究人员，目前正在尝试在模块上，以更多的量子比特运行算法，包括由“情报先进研究计划署，（Intelligence Advanced Research Projects Activity）”赞助的量子纠错研究项目的一部分。
“（美国）国家科学基金会 （NSF）前沿中心项目，有许多种发现，” NSF的物理小组的项目主任，Jean Cottam Allen 说，“这项工作在量子计算的前沿，帮助打下基础，将实用的量子计算，推向离现实更近的地方。”
参考文献：S. Debnath, N. M. Linke, C. Figgatt, K. A. Landsman, K. Wright & C. Monroe. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature, 2016 DOI:
消息来源：http://jqi.umd.edu/news/programmable-ions-set-stage-general-purpose-quantum-computers
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