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科學家們向大規(guī)模量子計算機邁出了新的一步：薩塞克斯大學(University of Sussex)和Universal Quantum團隊以創(chuàng)紀錄的速度和精度首次證明了量子比特（qubits）可以在量子計算機微芯片之間直接傳輸；他們將量子微芯片像拼圖一樣連接在一起，以制造強大的量子計算機。
圖中所示兩個量子計算機微芯片，量子比特以創(chuàng)紀錄的速度從一個微芯片傳輸?shù)搅硪粋�。
連接量子芯片，創(chuàng)造世界紀錄
現(xiàn)在，量子計算機在100量子比特的規(guī)模上運行。專家們預計，要解決當今最強大的超級計算機所不能解決的重要問題，需要數(shù)百萬個量子比特。全球正在進行一場開發(fā)量子計算機的競賽，它可以幫助解決許多重要的社會挑戰(zhàn)，包括藥物發(fā)現(xiàn)、提高化肥生產(chǎn)的能源效率，以及解決航空、金融等幾乎所有行業(yè)的重要問題。
目前，計算機以簡單的線性方式解決問題，每次進行一次計算。
在量子領域，粒子可以同時出現(xiàn)在兩個地方，研究人員希望利用這一特性來開發(fā)可以同時進行多種計算的計算機；量子粒子也可以相隔數(shù)百萬公里而聯(lián)系在一起，瞬間反映出彼此的行動。這兩大特性都可以用來開發(fā)更強大的計算機。
不過，一大障礙是需要在芯片之間快速、可靠地傳輸量子信息：因為信息會衰減，而且會引入錯誤。此次的研究成果可能將解決這一問題。
在2月8日發(fā)表在《自然通訊》上的研究論文中[1]，科學家們展示了他們使用稱之為”UQConnect"的新技術，利用電場鏈路(electric field links)，使量子比特以前所未有的速度和精度從一個量子計算微芯片模塊移動到另一個。
最終，該團隊成功地傳輸了量子比特，成功率為99.999993%，連接率為每秒2424，這兩個數(shù)字都是世界紀錄，比以前的解決方案要高幾個數(shù)量級。研究人員表示[2]，這表明原則上可以將芯片組合在一起，從而制造出更強大的量子計算機。
薩塞克斯大學量子技術教授、Universal Quantum公司首席科學家兼聯(lián)合創(chuàng)始人Winfried Hensinger教授說：“隨著量子計算機的發(fā)展，我們最終會受制于微芯片的尺寸，這限制了芯片所能容納的量子比特的數(shù)量。因此，模塊化方法是使量子計算機強大到足以解決改變行業(yè)問題的關鍵。在證明我們可以連接兩個量子計算芯片時，它運作良好，我們釋放了通過連接數(shù)百甚至數(shù)千個量子計算微芯片來擴大規(guī)模的潛力。”
為了實現(xiàn)模塊化離子阱量子計算機，連接兩個模塊（模塊A和模塊B）的過程圖示。
離子阱的微芯片模塊
Winfried Hensinger
Universal Quantum：有望實現(xiàn)商業(yè)化、大規(guī)模量子計算
在以創(chuàng)世界紀錄的速度連接兩個模塊的同時，科學家們還證實了量子比特的量子特性在傳輸過程中沒有受到影響：例如，量子比特的疊加態(tài)。
Universal Quantum公司首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人、薩塞克斯大學量子技術高級講師Sebastian Weidt博士說[3]：“我們不懈地專注于為人們提供一種工具，以能夠徹底改變他們的工作領域。Universal Quantum公司和薩塞克斯大學的團隊在這里做了一些真正不可思議的事情，這將有助于使我們的愿景成為現(xiàn)實。這些令人興奮的結果顯示了Universal Quantum的量子計算機的非凡潛力，足以釋放出量子計算許多可以改變生活的應用潛力。”
Sebastian Weidt
Universal Quantum公司剛剛從德國航空航天中心（DLR）獲得6700萬歐元，用于建造兩臺量子計算機，他們將在機器中部署這項新的技術。公司最近還獲得了“2022年英國物理學會商業(yè)初創(chuàng)公司獎”。
Weidt補充說：“DLR的合同可能是有史以來交給一家公司的最大的政府量子計算合同之一。這是對我們技術的一個巨大認可。Universal Quantum公司現(xiàn)在正努力在我們即將推出的商業(yè)機器中部署這項技術。”
Mariam Akhtar博士在擔任薩塞克斯大學研究員和Universal Quantum公司的量子顧問期間，與博士生Falk Bonus和博士后Foni Raphal Le Brun-Ricalens一起領導這項研究。
Akhtar博士說：“該團隊已經(jīng)證明了使用量子鏈路的快速和相干的離子傳輸。這項實驗驗證了Universal Quantum公司一直在開發(fā)的獨特架構為實現(xiàn)真正的大規(guī)模量子計算提供了一條令人興奮的途徑。”
Mariam Akhtar
大規(guī)模量子計算：物理+數(shù)學+工程……
Michael Cuthbert教授是在牛津郡新成立的國家量子計算中心的主任，獨立于薩塞克斯大學的研究團隊，他將這項進展描述為“真正重要的一大進步”。但他說，要開發(fā)出實用的系統(tǒng)還需要更多的工作。“為了建立在未來需要的那種量子計算機，一開始就需要把指甲蓋大小的芯片連接起來，得到一個‘餐盤’大小的東西。薩塞克斯大學的研究團隊已經(jīng)表明，量子比特可以實現(xiàn)快速且穩(wěn)定的傳輸。”
“但隨后需要一種機制將這些‘餐盤’連接在一起，以擴大機器的規(guī)模：可能有一個足球場那么大，以便進行現(xiàn)實的和有用的計算，而這種規(guī)模的通信技術還沒有出現(xiàn)。”
薩塞克斯大學的博士生Sahra Kulmiya表示，該團隊已經(jīng)準備好迎接挑戰(zhàn)，將該技術提升到新的水平。“這不再僅僅是一個物理學問題，它是一個工程問題，一個計算機科學問題，也是一個數(shù)學問題。”
英國領先的工程公司之一羅爾斯羅伊斯，也對這項技術持樂觀態(tài)度。它正在與薩塞克斯大學的研究人員合作，開發(fā)可以設計更好的噴氣發(fā)動機的機器：強大的計算機被用來模擬空氣流動，以測試飛機發(fā)動機的新設計。
參考鏈接：
[2]https://www.bbc.com/news/science-environment-64492456
[3]https://medium.com/@universalquantum/record-peaking-discovery-solves-major-quantum-puzzle-by-fitting-computers-together-like-a-2b330bd92865
