激進量子計算理論或造就超強機器

物理學家爲量子計算機創建了一個新模型，該模型能夠更輕鬆地擴大量子計算機的規模，並使其比以前想象的更強大。

5 月 21 日發表在《PRX 量子》雜誌上的一項研究中概述的新理論提出，將量子計算機的基本組成部分——量子比特在遠距離連接起來，使其能夠像單個超級強大的機器的一部分一樣工作。

在經典計算中，位以 1 或 0 的二進制狀態按順序處理數據，而量子計算使用量子比特（依賴於量子力學定律）以 1 和 0 的疊加態對數據進行編碼。這意味着數據能夠同時處於兩種狀態進行編碼。每個量子比特以給定的頻率運行。

然後，這些量子比特可以通過 量子糾纏 拼接在一起——在這種情況下，其數據會跨越時間或空間的巨大間隔相互關聯——從而並行處理計算。量子比特糾纏得越多，量子計算機的能力就會呈指數式增長。

糾纏的量子比特必須具有相同的頻率。但該研究提議給它們提供“額外”的工作頻率，以便它們在需要時能與其他量子比特產生共振或者獨立工作。

如果有足夠的糾纏量子比特，未來的量子計算機能夠在短短几秒鐘內完成經典計算機需要數千年才能完成的計算。但要達到這種“量子霸權”的狀態，就需要一個擁有數百萬個量子比特的量子處理器，然而 當今最強大的僅有 1000 個量子比特。

但是，保持糾纏量子比特之間的穩定性以處理數據是困難的，並且需要複雜的電子設備。在量子計算機中增加量子比特的數量，讓其強大到足以超越 當今最強大的超級計算機，這也是一個主要障礙——因爲還需要擴大這種複雜的電路。

但科學家們提出，通過爲每個量子比特提供額外的頻率，他們可以讓它們協同工作以處理計算，就好像它們是單個量子計算機的一部分，儘管它們可能相隔甚遠。這意味着，你可以使用幾個相互連接的較小量子處理器，而非一個難以維護的大型量子處理器。

“量子計算機中的每個量子比特都在特定頻率下運行。要實現量子計算機特有的功能，不僅要能憑藉不同的頻率單獨操控每個量子比特，還要能通過匹配頻率來連接成對的量子比特，”該研究的主要作者、羅德島大學量子信息助理教授 瓦妮塔·斯里尼瓦薩 在一份 聲明 中說道。

科學家們稱，通過施加振盪電壓，能夠爲每個量子比特生成額外的頻率。這樣一來，就可以利用新產生的共享頻率把多個量子比特連接起來，而無需匹配它們的原始頻率。接着，量子比特能夠連接在一起，同時還能憑藉其原始頻率單獨被控制。

“這種擴展方式類似於用固定大小的樂高積木搭建一個更大的系統，這些積木如同單個模塊，接着使用足夠結實的較長部件把它們連接起來，從而在外部影響斷開連接之前，能在足夠長的時間裡維持積木間的連接，”斯里尼瓦薩在聲明中說道。

該模型的目的在於克服科學家未來在擴大量子處理器規模過程中將會遭遇的挑戰。

這些通常由半導體制造而成，並運用數十億個微小的晶體管，這些晶體管能夠被用來製造緊湊的量子比特。

然而，科學家們指出，僅僅在量子處理器裡增添越來越多的量子比特，終有一天是行不通的。

藉助新模型，研究人員認爲未來的量子計算機將以模塊化的方式被建造——量子處理器中的量子比特陣列較小，且通過強大且遠程的糾纏鏈路相連接。這將使它們比利用我們現今所擁有的技術更強大，計算速度也快得多。