原创 个人量子计算机何时成为现实？新突破大大缩短了这一历程！（量子计算机成功了吗）

原标题：个人量子计算机何时成为现实？新突破大大缩短了这一历程！来源：世界风情画（ID：finkeeper）作者：杂杂妹

最近，英国苏塞克斯大学（ University of Sussex）传来好消息，科学家们现在已经能够使“量子比特”直接在两个量子位之间传输，此举大大提升了量子计算机微芯片的速度和精确度……（等等，你确定自己这量子计算机不是“量子保温杯”、“量子减肥茶”？——妤妤姐）

什么和什么嘛！我这是讲正经的。和“神龙见首不见尾”的量子杯、量子衣、量子茶相比，量子计算机恰恰是平时被一些人吹得玄而又玄的量子力学的现实应用。为什么这样说呢？我们还是从量子计算机的发展史讲起。

首先，1900年，由德国物理学奖马克斯·普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck，1858年4月23日—1947年10月4日）首倡的量子力学是研究物质基本构成尺度，也就是普朗克尺度的物质间相互作用，且不涉及物质的化合、分解、置换等反应的学科。

之所以叫“量子”，是因为在普朗克尺度这样微小的范围（包括时间、距离、能量、质量），物质的粒子具有什么性质已不可想象，只能用“数量”来描绘至于普朗克尺度又是怎么得来的呢？

这就不得不说到普朗克常数，6.62*10^-34的测定过程马克斯·普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和试验结果是相符。

这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于 hν， ν 为辐射电磁波的频率，h为一常量，叫为普朗克常数正是因为热辐射中最小能量单位就是普朗克常数乘以辐射的频率（v=1/λ），根据e=mc^2的质能转换公式，这种抽象出来，含有最小份额能量的“粒子”，就是“量子”。

可以说，正是量子构筑了组成我们这个宇宙万物的“砖石”，所以量子力学研究的也就是这个世界的基本构成单位

其次，1946年，ENIAC作为人类第一台电子计算机在美国宾夕法尼亚大学投入使用，这台计算机的原理是使用晶体管的开、闭构成无数个“0”和“1”，使用二进制编列并执行程序，从而完成各种复杂运算此后，电子计算机经过了晶体管、电子管、集成电路到如今的大规模集成电路时代，但基本原理依然是二进制计算，只不过随着处理任务的日趋复杂和人类要求越来越高，体积越来越小，集成度越来越复杂，到了21世纪10年代，随着移动互联网、云计算的发展，电子计算机已经走到了物理算力的极限年代。

采用量子计算机成了消费者和科学界的共同要求

第三，量子计算机和电子计算机差别在哪里呢？关键就在处理的信息基石上在计算机的经典模型中，最基础的构建要素－－字节（Beta），只能存在于两种截然不同的状态之一：0或是1在量子计算机中，规则改变了一个原子字节－－经常被简称为 “量比”(quantum bit) －－不仅仅存在于传统的0和1状态中，还可以是一种两者连续或重叠状态。

当一个量比处于这种状态时，它可以被认为存在于两种领域中：一种为0，而另外一种为1一个基于这种量比的操作能够同时有效地影响两个值因此，极为重要的一点是：当我们在量比上实行单一操作时，我们是在针对两种不同的值进行的。

类似的，一个双量比系统能对4个值进行操作，而一个三量比系统就是8个值，也就是幂函数关系因此，增加量比的数目能够以指数方式增加我们从系统获得的“量子并行效应”(量子并行效应)在拥有正确算法类型的情况下，它能通过这种并行效应以远低于传统计算机所花费的时间内解决特定的问题。

于是，2011年5月11日，加拿大的D-Wave 系统公司发布了一款号称“全球第一款商用型量子计算机”的计算设备“D-Wave One”，含有128个量子位2011年5月25日，美国洛克希德·马丁同意收购D-Wave On。

美国南加州大学洛克希德马丁量子计算机研究中心（USC-Lockheed Martin Quantum Computation Center）经检验后，证明D-Wave One不遵循经典物理学法则的模拟退火（simulated annealing）运算模型，而是量子退火法。

该论文《可编程量子退火的实验特性》（Experimental Signature of Programmable Quantum Annealing）发表于《自然通讯》（Nature Communications）期刊。

该量子设备是否真的实现了量子计算目前还没有得到学术界广泛认同，只能有证据显示D-Wave系统在运作时逻辑不同于传统计算机但是，D-Wave On的实践毕竟初步摆脱了传统电子计算机的二进制模型，为后续的量子计算机设计、制造打开了通道。

2015年5月，IBM在量子运算上取得两项关键性突破，开发出四量子比特型电路（four quantum bit circuit），成为未来10年量子计算机基础另外一项是，可以同时发现两项量子的错误型态，分别为bit-flip（位元翻转）与phase-flip（相位翻转），不同于过往在同一时间内只能找出一种错误型态，使量子计算机运作更为稳定。

2017年，中国科学院宣布制造出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机，研发了10位元超导量子线路样品，通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了十位元量子态。

[21] 此原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有实验机加快至少24000倍，比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10-100倍，虽然还是缓慢但已经逐步跨入实用价值阶段。

2018年6月，英特尔公司宣布开发出新款量子芯片，称使用五十纳米的量子比特做运算，并已在接近摄氏零下273.15度的绝对零度中进行测试。

2020年中国科学技术大学发布有76位量子位的量子计算机九章，并宣布实现量子优越性。……而量子计算机又是怎么实现“量子位”的“量子态”呢？

一般来说，欲构建量子位就必须把一个单电子“困”在某个“原子牢笼”里——当量子点暴露在刚好合适波长的激光脉冲下并持续一段时间，电子就会达到一种激发态：而第二次的激光脉冲又会使电子衰落回它的基态电子的基态和激发态可以被视为量比的0和1状态，而激光在将量比从0状态撞击到1状态或从1撞击到0的应用，能够被看成是一种对取非功能的控制。

这里，最大的技术难点在于，为了避免数以千计的激光射入一个狭小的空间，量子点应当制造以回应不同频率的光一束能够可靠地进行自我调整的激光将会选择性地瞄准有着不同光频率特性的不同组别的量子点而目前难以解释的光/粒子的“观察者效应”和“延迟选择”现象无疑将加剧这个技术指标实现的困难度。

这也是量子计算机目前只能使用贵重器材，占据大量空间的根本原因但近期，英国科学家的做法无疑大大推动了量子计算机走向使用，走向个人在苏塞克斯大学时领导了原型研究马里亚姆·阿赫塔尔（Mariam Akhtar）告诉记者，“我们团队已经证明了量子物质可以通过快速和连贯的离子转移来实现”。

据介绍，苏塞克斯大学的团队使用捕获的原子离子作为量子位，使用电场设置来传输量子位这意味着微芯片可以像拼图玩具一样拼接量子计算机，以实现最佳的稳定性和可靠性，并使用电荷耦合器件电路实现卓越的电荷转移

这样一来，该团队便达到了99.999993%的成功率和每秒2424个链接的连接率这将扩大到数百甚至数千个量子计算微芯片以这种方式连接，从而大大推进量子计算机的小型化此外，此项技术还证明了量子计算机可以扩大到微芯片的物理范围之外，可以尝试使用锗、硅、铅等更多廉价材料制作量子计算机的零部件。

从苏塞克斯大学分离出来的创业公司Universal Quantum将继续开发这项技术关于新的量子芯片是否有算力极限，来自苏塞克斯大学的量子科学家温弗里德·亨辛格（Winfried Hensinger）说，“我们知道模块化方法是关键量子计算机强大到足以解决不断变化的行业问题。

" 同样在苏塞克斯大学工作的量子科学家塞巴斯蒂安·魏特（ Sebastian Weidt）则表示：“这些令人兴奋的结果显示了宇宙量子的非凡潜力量子计算机变得强大到足以开启许多改变生活的应用量子计算”参考资料：

1、Better Bench：【科技知识】世界量子计算发展史2、中国量子计算机“悟空”即将问世，国内首条量子芯片生产线亮相（观察者网）3、DAVID NIELD：New Breakthrough Brings Quantum Computers a Huge Step Closer（Science Alert）

4、M. Akhtar, F. Bonus, F. R. Lebrun-Gallagher, N. I. Johnson, M. Siegele-Brown, S. Hong, S. J. Hile, S. A. Kulmiya, S. Weidt & W. K. Hensinger：A high-fidelity quantum matter-link between ion-trap microchip modules（Nature Communications Published: 08 February 2023）

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