互动科普

在求解一些重大难题时，量子计算机可以完胜传统的电子计算机。但它们面临一个的重大障碍：量子计算机的基本计算单位——量子比特不易操控，并且很容易受温度和其他环境因素的干扰。最近，为解决这个难题，科学家设计了两套构建量子比特的方案。

一个传统电子计算机的比特要么是0，要么是1，而由一个叠加态粒子形成的量子比特却可以同时是0和1。这得益于一种奇异的量子效应——叠加态，它意味着一个原子、电子或是其他粒子可以同时处于两种甚至多种状态，例如既自旋向“上”，又自旋向“下”。当多个量子比特相互“纠缠”（多个粒子行为彼此关联的量子特性），其计算能力将随量子比特数量的增加而呈指数级提升。理论上讲，300个量子比特一次能处理的变量数，相当于已知宇宙中原子数目的总和。

此前，基于粒子自旋方向的量子比特，彼此的间隔必须小于15纳米。超过这个范围，它们之间的纠缠效应就会消失。而现在，澳大利亚新南威尔士大学的量子工程师安德里亚·莫雷洛（Andrea Morello）和同事提出了一种新的量子比特设计方案，可以把间距扩大到500纳米。这意味着，操控量子比特的关键器件将拥有更大的空间。如图所示，要形成这样一个“联合”量子比特（flip-flop qubit），原子中的电子需要被激发到远离原子核的位置上，使原子呈现正负两个电极，而这样的原子可以在更长的距离上发生相互作用。该项研究已经发表在2017年9月的《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上。

另一个设计方案，则基于超导材料中带负电的电子和带正电的空穴相互作用形成的准粒子。《自然》在2017年8月报道了这项由荷兰代尔夫特理工大学和艾恩德霍芬理工大学的科学家开展的研究。在他们研发的结构中，彼此分离的一对准粒子可以彼此连线、互换位置，共同构成一个量子比特。“这段分开的距离可以降低两个粒子同时受环境扰动的可能性，从而极大地提高这类量子比特的稳定性，”研究的合作者、代尔夫特理工大学的量子物理学家张浩（Hao Zhang）说。

两个团队都希望，尽快研发出新型量子比特的原型机。“科学家仍在努力探索制造大型量子计算机的新途径，这真是令人兴奋。”麻省理工学院的量子物理学家赛斯·劳埃德（Seth Lloyd，未参与本项研究）评论道。