量子計算面臨的最大難題之一，就是在提高計算能力的同時要降低錯誤率。西班牙國家研究委員會（CSIC）理論物理研究所的研究科學家Alejandro González Tudela正在研究解決這個問題的新方法——將一種超材料（具有獨特屬性的結(jié)構(gòu)）的新功能與光量子特性相結(jié)合。自2014年以來，他的研究項目已獲得BBVA基金會“萊昂納多項目”資助的2000萬美元。

在傳統(tǒng)計算中，比特是信息的基本單位。傳統(tǒng)比特是二進制的，因為它只能是0或1。比特的組合可以為計算機提供多種特性功能。但在量子計算中，基本單位是量子比特。它是一個量子系統(tǒng)，可以具有兩種狀態(tài)（0 和 1）中的一種，或者這些狀態(tài)的任何疊加態(tài)。疊加是量子系統(tǒng)在被測量之前同時處于多個狀態(tài)的能力。使用量子比特即有數(shù)以萬億個比特組合，因此有無限的計算可能性。CSIC研究員Alberto Casas稱：一臺由273個量子比特組成的量子計算機將比可觀測宇宙中的原子擁有更多的內(nèi)存。

問題是這種疊加的量子特性難以捉摸，保持穩(wěn)定狀態(tài)的時間很短。最輕微的環(huán)境變化（溫度、電磁噪聲或振動）都會降低這一特性，使量子計算機無法有效地執(zhí)行大規(guī)模計算。這種效應(yīng)稱為“量子退相干”。

英國、美國和中國科學家最近在《自然物理學》上發(fā)表了一項研究：使用30量子比特可編程超導處理器來證明“量子信息處理應(yīng)用程序可以調(diào)整為相互交互，同時在前所未有的時間內(nèi)保持相干性?！边@項研究也使用了糾錯，但這項技術(shù)需要顯著增加量子比特的數(shù)量，這也是量子計算一大挑戰(zhàn)。

González正在采取一種創(chuàng)新的方式來解決這個問題，他使用具有獨特屬性的超材料結(jié)構(gòu)來制造量子設(shè)備，該設(shè)備可以在不提高錯誤率的情況下獲得更多的量子比特。González說：“這些超材料的特性被調(diào)制到實現(xiàn)罕見響應(yīng)所需的波長以下，例如使材料不可見或聚焦超出其極限的光。該假設(shè)基于一個事實：光具有非常好的相干性（它很容易保持其量子特性）。因此，我們的目標是利用超材料對光的強烈響應(yīng)來提高保真度?！?/p>

這個想法是利用光來保持其量子特性，因為它與環(huán)境的相互作用非常小。然而，使用光的缺點是難以操作。

González決定在他的研究中使用一種最近開發(fā)的超材料，因為這種材料具有相隔很短距離的原子網(wǎng)絡(luò)，使得利用光的量子行為成為可能。González說：“通過將原子放置在非常短的距離處，它們可以集體行動，并且可以與光發(fā)生非常強烈的相互作用?！?/p>

通過使用這種更有利于光量子產(chǎn)生相干量子行為的超材料，可以克服操縱光子的困難，最終構(gòu)建光量子計算機的硬件，解決可擴展性問題，建造具有更多量子比特和更少錯誤的量子計算機。?

González說：“探索替代范式很有趣，我的方法不一定會實現(xiàn)最終突破。目前，在超導電路中的離子阱、基于光子的量子技術(shù)都是實現(xiàn)量子計算的好方法。也許，巨大的飛躍將來自完全不為人知的東西，或者來自解決方案的組合?！盙onzález強烈認為有必要在獲得萊昂納多項目資助中開辟新的道路。Alberto Casas也表示贊同，他在最近出版的《量子革命》一書中寫道：“量子計算的未來是未知的，但值得人們?nèi)ヌ剿??！?/p>

量子計算的價值不在于解決階乘計算，也不是要弄清楚城市之間的最佳交通路線之類的后勤難題。González說，除了密碼學，這項技術(shù)的最大目標是實現(xiàn)安全通信并解決一些物理和化學問題。這些是涉及許多交互元素的多方面問題，使用傳統(tǒng)計算機很難解決。

González說，制藥行業(yè)是量子計算可以在個性化治療開發(fā)中提供“指數(shù)優(yōu)勢”的一個領(lǐng)域?！耙苍S會發(fā)現(xiàn)可以從量子計算中受益的新問題，或者會開發(fā)出我們尚未想到的新應(yīng)用程序?！?/p>

無論是在基礎(chǔ)研究方面，還是在技術(shù)創(chuàng)新方面，西班牙都是量子競賽的積極參與者。巴塞羅那超級計算中心被歐洲高性能計算聯(lián)合企業(yè) (EuroHPC JU) 選中，托管和運行其第一臺量子計算機。新的基礎(chǔ)設(shè)施將與MareNostrum 5超級計算機安裝并集成，MareNostrum 5超級計算機是西班牙功能最強大的計算機，也是歐洲最先進的計算機之一。

QuantumSpain計劃為該項目投資1250萬歐元，該項目由歐盟和西班牙數(shù)字化與人工智能秘書處 (SEDIA) 共同出資。巴塞羅那超級計算中心主任Mateo Valero在一份聲明中說：“這個新的基礎(chǔ)設(shè)施集成了量子計算與MareNostrum 5，將推進多種學術(shù)應(yīng)用?！卑腿_那設(shè)施將連接到德國，捷克，法國，意大利和波蘭的超級計算機網(wǎng)絡(luò)，以滿足歐洲工業(yè)對量子計算資源和服務(wù)日益增長的需求，并支持健康醫(yī)療、氣候變化、物流和能源等領(lǐng)域的研究。

文章參考鏈接：

https://english.elpais.com/science-tech/2022-11-03/metamaterials-a-new-approach-to-quantum-computing.html

編譯：卉可

編輯：慕一