未來量子計算機之一：分子量子計算機

　　未來量子計算機的技術正在快速發展，並且有多種不同的方法正在研究開發中。量子計算機的許多策略或「藍圖」都依賴於原子或類似人造原子的電路。

　　

　　在《物理評論 X》雜誌上的一項新理論研究中，加州理工學院的物理學家們展示了一種新型的量子計算機，它不基於原子而是基於分子基礎之上。

　　在一項新的理論研究中，加州理工學院的物理學家展示了分子在理論上可以如何用於減少量子計算中的錯誤。該方法涉及將旋轉的分子置於「疊加」狀態，這意味著它將同時以多種方向存在。

　　

　　研究人員說：「在量子世界中，我們有幾個藍圖，正在同時改善它們。」 「自2001年以來，人們一直在考慮使用分子對信息進行編碼，但是現在我們正在展示比原子更複雜的分子如何減少量子計算中的錯誤。」

　　

　　量子計算機的核心是所謂的量子位，類似於經典計算機中的比特位，但與經典位不同，它們會遇到一種奇怪的疊加現象，即它們同時以兩種或多種狀態存在。就像著名的薛定諤的貓，又是死又是活著，粒子可以一次以多種狀態存在。

　　疊加現象是量子計算的核心：量子比特可以同時採取多種形式這一事實意味著，量子比特的計算能力比經典比特要大得多。但是疊加的狀態是一種微妙的狀態，因為量子位容易坍縮而失去其所需的狀態，這會導致計算錯誤。

　　

　　研究人員解釋說，「在經典計算中，你必須擔心位翻轉，即「1」位變為「0」，反之亦然，這會導致錯誤。」 「這就像擲硬幣一樣，很難準確做到是正面或反面。在量子計算中，信息以脆弱的疊加形式存儲，一絲絲的量子干擾也可能導致錯誤。」

　　研究人員指出，如果量子計算機平台使用由分子構成的量子比特，那麼與其它量子平台相比，這些類型的錯誤更有可能被消除。這項新研究背後的一個概念來自加州理工學院的理論物理學教授們：約翰·普雷斯基爾（John Preskill）、理查德·費曼（Richard P.Feynman）、阿列克謝·基塔耶夫（Alexei Kitaev）、羅納德·馬克西恩（Ronald and Maxine）所做的研究工作。

　　當時，科學家們提出了一個量子計算機漏洞，該漏洞可以為一種由德國物理學家維爾納·海森伯格於1927年提出、稱為海森堡不確定性原理的現象所提供的，該原理指出，人們不能以很高的精度同時認知粒子的位置和行進方向。

　　不確定性原理是對量子計算機的一個挑戰，因為它意味著無法充分了解量子位的量子狀態來確定是否已發生錯誤。

　　加州理工學院的三位理論物理學教授：Gottesman，Kitaev和Preskill指出，雖然無法測量粒子的確切位置和動量，但可以檢測到其位置和動量的微小變化。這些變化可能表明發生了錯誤，從而有可能將系統推回正確的狀態。所以這種錯誤校正方案以其發現者之名被稱為GKP，最近已在超導電路設備中實現。

　　普雷斯基爾（Preskill）是該最新論文論文主導作者、量子信息與物質研究所所長，是當今量子信息科學和量子計算領域的一位權威專家，也以創造「量子至上」一詞而聞名。他指出， 「糾錯的全部目的是使我們最大化地認知潛在的錯誤。」

　　

　　在該新論文中，這個概念被應用於疊加旋轉分子。如果分子的方向或角動量發生少量偏移，則可以同時糾正這些偏移。

　　

　　研究人員說：「我們需要跟蹤量子信息在雜訊下的演化。」 「雜訊將系統踢了一下。但是，如果我們精心選擇了分子狀態的疊加，只要它們足夠小，我們就可以測量方向和角動量。然後我們可以將系統踢回補償。」

　　研究人員表示，最終有可能單獨控制用於此類量子信息系統的分子。研究團隊在使用光學激光束「鑷子」控制單個中性原子方面取得了長足進步，中性原子是量子信息系統的另一個有希望的平台。

　　

　　研究人員說：「分子的吸引力在於它們是非常複雜的結構，可以非常密集地堆積。」 「如果我們能夠弄清楚如何在量子計算中利用分子，那麼我們就可以對信息進行可靠的編碼，並提高量子比特的打包效率。」