量子计算机的一大步
综合报道
2004年9月底，美国西海岸的“玫瑰之城”波特兰，史蒂文·格文和他的同伴们宣布：人类向量子计算机时代，又迈进了一大步——这个来自耶鲁大学的团队在这里展示了量子计算机研究的新突破——制造出一个使用微波控制量子比特的芯片。
十分钟完成数百年的计算任务
要真正认识清楚史蒂文·格文们成果的意义，先要从量子计算机开始。
量子计算机的研究始于上个世纪80年代。当时，PC正遵循“摩尔定律”——单位面积半导体芯片上的晶体管数大约每18个月增加一倍，以令人兴奋的速度爆炸式增长，但科学家们已经开始未雨绸缪地着手寻找“摩尔定律”的终结者，因为他们相信，摩尔定律“使人们将来有机会享用到速度更快的电脑，同时也把传统硅芯片推入尴尬境地，因为硅芯片离物理极限更近了”。
科学家们坚信，当传统电脑所使用的晶片精密度小到极限时，只有求助于应用量子力学，才能使电脑的发展再有突破。英国牛津大学量子计算中心主任埃克教授就不止一次声称：“电脑内的微处理器，就像人的心脏是最重要部件。按传统物理的理论来说，物体体积越小，其运作越快。微处理器的晶片精密度，已经小到无可再小的地步，再下去已经是分子和原子的状态。不冲破传统物理的牢笼，运用量子力学，传统电脑就再没有发展了。”
而量子计算机的原理，看上去也颇为玄妙：它是基于量子力学的原理，利用电子、质子等亚原子微粒的某些特性来进行运算的。科学家们解释说，在传统电脑中，一切都是“黑白分明”的，一个开关要么是开，要么是关。但在量子物理学的世界中，却有着一种叫做“叠加状态”的优势，即量子粒子可以处于一种“超级位置”，同时上下旋转。如果一个旋转被用作一个量子位的信息，那么每一个量子位都同时代表着一个1和一个0，因此一台两个量子比特的电脑就能够同时存储4个数字。而且当你把量子位相加，电脑的能量急剧增加，40个量子位集合在一起的运算能力已经相当于目前一台普通的超级计算机。有了如此强大的处理能力，“只要数十分钟即可完成目前计算机需数百年才能完成的计算”，这是科学家们的共识，也是量子计算机带给人类的憧憬。
用“孤岛”拘禁量子
长期以来量子计算机依然是实验室中一个神秘的东西。科学家们面临的最大难题，是在执行量子运算时，如何保持量子的“叠加状态”。全球的科学家经过无数次试验，也只能将两个或三个量子位维持在叠加状态，而这种情况下是没有办法进行大规模运算的。
来自耶鲁大学的科学家——史蒂文·格文和同事们的成果，正好能解决这个问题。经过12年的摸索之后，耶鲁的科学家们建立起一个名为“Cooper Box”的超导体量子仓，并用微波代替了原来的激光来控制量子位。
这种超导体的量子仓是芯片中的一个个孤岛，大小仅为1立方微米。“在运行中，它的动作有点像一个普通的动态随机存储器，能够不受任何干扰地对其中的量子态进行读取操作。”格文解释说，当研究人员把一个微波光子注入到超导的量子仓后，量子仓开始来回振荡，并重新发射出光量子。而仓内的电子中储存的信息通过来回振荡传输，吸收并重新发射出微波量子。最后，量子仓中的电子和它们捕获的光量子就会形成一个强有力的联结，来维持量子仓里量子的“叠加状态”。
格文表示，这种新的量子仓，允许在一个厘米平方的芯片上运行一亿多次，而且速度比原来使用激光控制时提高了上千倍。他和同伴们坚信，在未来一段时间内，他们在量子计算机领域所取得的突破将被其他实验室所广泛应用。这将对推动量子计算机的发展起到极其重要的作用。而这将是量子计算机普及的重要一步。