資訊科技

給量子位元一點空間

新型量子位元將大幅提升大型量子電腦的運算能力。

撰文/蔡宙(Charles Q. Choi)

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給量子位元一點空間

新型量子位元將大幅提升大型量子電腦的運算能力。

撰文/蔡宙(Charles Q. Choi)


理論上,在處理重要問題的複雜運算時,量子電腦的能力應能輕易超越傳統電腦,但目前遭遇一個重大障礙:量子電腦的基本運算單元為量子位元(qubit),而量子位元難以控制,很容易被環境中的熱或其他因素破壞。現在,研究人員設計出兩種量子位元,或許能解決這個問題。


傳統電腦的位元值不是0就是1。但在詭異的量子疊加效應下(原子、電子或其他粒子可同時存在兩種以上狀態,例如同時以相反方向自旋),處於疊加狀態的粒子所代表的單一量子位元,可同時包含兩個位元。當多個量子位元互相纏結時(意指一個粒子與另一個粒子互有關聯),電腦運算能力將隨量子位元數量大幅提升。原則上,300個量子位元的電腦可執行的運算次數,比可觀測宇宙內所有原子的數量還多。


目前,量子位元的位元值由粒子的自旋方向代表,位元只能間隔約15奈米,如果距離太遠,纏結就會失效。然而,最近澳洲新南威爾斯大學的量子工程師莫瑞羅(Andrea Morello)等人表示,他們已經設計出間隔達500奈米的新型量子位元,這為控制量子位元的必要裝置提供了更大的空間。


2017年9月,莫瑞羅的研究團隊在《自然.通訊》(Nature Communications)中發表研究,指出要製作這類翻轉型量子位元(flip-flop qubits,下圖),必須讓電子與原子核至少間隔一定距離,在原子形成足以發生交互作用的正負電極。


另一項新型量子位元的設計則借助準粒子(quasiparticle),由帶負電荷的電子與超導材料中帶正電荷的電洞構成。2017年8月,荷蘭愛因荷芬科技大學和德夫特科技大學的科學家在《自然》期刊發表研究成果,他們設計了一種結構,讓分離的準粒子可在其中「交織」(或交換位置),看起來就像單一量子位元。論文共同作者之一、德夫特科技大學的量子物理學家張浩表示,準粒子間相隔一定距離可減少兩個粒子同時受環境因素干擾的機率,可使量子位元更穩定。


兩組研究團隊希望很快能製作出新型量子位元。美國麻省理工學院的量子物理學家羅伊德(Seth Lloyd)沒有參與這兩項研究,他評論:「科學家一直在尋求打造大型量子電腦的新方法,令人相當期待接下來的發展。」(甘錫安 譯)


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