隨著對(duì)更好的量子計(jì)算的推動(dòng)不斷升溫，研究人員希望通過(guò)量子傳感器、算法和量子比特的發(fā)展來(lái)解決這些問(wèn)題。

最近，量子研究達(dá)到了新的高度。無(wú)論是德國(guó)的倡議、量子互聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)，還是光子芯片，這個(gè)領(lǐng)域都在蓬勃發(fā)展。

推動(dòng)量子技術(shù)是一項(xiàng)全球性的努力，許多國(guó)家投入了大量資金。圖片由Qureca 提供

隨著最近對(duì)量子計(jì)算和相關(guān)技術(shù)的研究為推進(jìn)量子領(lǐng)域帶來(lái)了三種創(chuàng)新的潛在方法，這一勢(shì)頭不斷發(fā)展。

這些發(fā)展包括克服重大的量子計(jì)算挑戰(zhàn)，創(chuàng)建用于檢測(cè)暗物質(zhì)粒子的候選量子傳感器，以及開發(fā)在經(jīng)典半導(dǎo)體硬件上運(yùn)行量子軟件的平臺(tái)。

本文將深入探討每一個(gè)，看看有什么新東西和未來(lái)可能會(huì)發(fā)生什么。

關(guān)鍵量子計(jì)算問(wèn)題的解決方案

要涵蓋的第一個(gè)研究領(lǐng)域試圖回答量子計(jì)算的主要挑戰(zhàn)之一。

挑戰(zhàn)在于，要使量子計(jì)算機(jī)具有任何實(shí)際應(yīng)用，它必須使用數(shù)千（如果不是數(shù)百萬(wàn)）量子位來(lái)運(yùn)行。目前的量子計(jì)算機(jī)還沒(méi)有做到這一點(diǎn)：量子計(jì)算的最大挑戰(zhàn)之一是控制大量量子位，而不必使用大量的布線和電能。

以這種方式控制數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位幾乎是不可能的，因?yàn)榭臻g限制加上高電流消耗的散熱將導(dǎo)致溫度升高。這些溫度可能使在應(yīng)該接近絕對(duì)零的環(huán)境中獲得可靠的量子位讀數(shù)變得不可能（為了在沒(méi)有干擾的情況下正常運(yùn)行，當(dāng)前的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)需要毫開爾文的溫度才能運(yùn)行）。

提議的解決方案來(lái)自悉尼新南威爾士大學(xué)的工程師。這些研究人員開發(fā)了一種可能的方法，該方法涉及使用晶體材料組件同時(shí)磁性控制多個(gè)量子位。

(a) 微波控制場(chǎng)的 3D 渲染圖像，(b) 設(shè)備堆棧，以及 (c) 設(shè)備的照片。圖片由 Vahapoglu 等人提供

所討論的組件稱為介電諧振器，它能夠?qū)⑽⒉�頻率磁控場(chǎng)均勻地聚焦到量子位系統(tǒng)中。這種一致性意味著僅使用一個(gè)元素就可以同時(shí)控制數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位。

然而，這個(gè)解決方案不僅僅是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的努力。這是由Jarryd Pla 教授（負(fù)責(zé)相關(guān)創(chuàng)新）領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì) 和Andrew Dzurak 教授（他過(guò)去曾使用硅制造技術(shù)開發(fā)過(guò)量子芯片）領(lǐng)導(dǎo)的 團(tuán)隊(duì)的共同努力。

盡管量子計(jì)算機(jī)仍面臨許多工程挑戰(zhàn)，但開發(fā)一種僅用一個(gè)組件統(tǒng)一控制數(shù)百萬(wàn)個(gè)量子位的方法可能是將量子處理器提升到新水平的寶貴一步。

下一個(gè)研究領(lǐng)域希望創(chuàng)造一種新型的量子傳感器。

用于探測(cè)暗物質(zhì)的量子傳感器

暗物質(zhì) 是一個(gè)籠統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)，用于描述宇宙中尚未被發(fā)現(xiàn)或科學(xué)證明的假設(shè)粒子，盡管天體物理學(xué)觀察和無(wú)法解釋的引力效應(yīng)暗示了它們的存在。物理學(xué)家一直試圖通過(guò)多種不同的科學(xué)方法直接探測(cè)暗物質(zhì)以證明其存在并了解其成分。

為了響應(yīng)物理學(xué)家的號(hào)召，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 ( NIST ) 的研究人員正在通過(guò)開發(fā)一種用于測(cè)量特定電場(chǎng)的量子離子阱傳感器來(lái)接近這一目標(biāo)。所討論的傳感器是基于晶體的，由 150 個(gè)鈹離子制成，形成一個(gè)被困在磁場(chǎng)中的二維結(jié)構(gòu)。

John Bollinger（左）和 Matt Affolter（右）使用量子傳感器。圖片由R. Jacobson/NIST 提供

NIST 物理學(xué)家假設(shè)該傳感器可以檢測(cè)理論上的亞原子粒子，例如軸子和暗光子，它們可能是暗物質(zhì)成分。 

它將通過(guò)測(cè)量晶體離子結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)來(lái)檢測(cè)這些假設(shè)粒子的弱電場(chǎng)，特別是在它們的自旋中，這是一種描述粒子內(nèi)在角動(dòng)量的量子特性。

這種傳感器可以證明是一項(xiàng)有吸引力的技術(shù)，因?yàn)樗�使用類似于離子阱量子計(jì)算機(jī)的原理，這意味著這項(xiàng)研究可以從量子計(jì)算領(lǐng)域的進(jìn)步中受益。然而，更重要的是量子芯片也可以從開發(fā)這些類型傳感器的改進(jìn)中受益。

目前，任何暗物質(zhì)粒子證據(jù)的有用性和實(shí)用性都未知；然而，該項(xiàng)目背后的研究人員認(rèn)為，通過(guò)一些改進(jìn)，該實(shí)驗(yàn)可以成為探測(cè)和理解宇宙中無(wú)法解釋和無(wú)法解釋的物質(zhì)的基本資源。

從這里開始，讓我們現(xiàn)在深入研究努力在量子計(jì)算中掀起波瀾的最后一項(xiàng)研究。

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上運(yùn)行量子軟件

量子計(jì)算機(jī)是一項(xiàng)重要的未來(lái)技術(shù)，因?yàn)樗鼈冇?jì)算復(fù)雜數(shù)學(xué)問(wèn)題的速度比普通計(jì)算機(jī)快幾個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，量子處理器仍然面臨的明顯物理限制和困難正在引導(dǎo)研究人員進(jìn)入多個(gè)不同的方向來(lái)克服這些挑戰(zhàn)。

一個(gè)有趣的方法 是不使用量子芯片，而是在經(jīng)典半導(dǎo)體計(jì)算機(jī)中模擬量子算法。EPFL 教授 Giuseppe Carleo和Matija Medvidovi?（哥倫比亞大學(xué)和熨斗研究所的研究生）正試圖讓量子計(jì)算更接近現(xiàn)實(shí)。

QUOA 電路。圖片由 Carleo 和 Medvidovic 提供

該軟件被稱為量子近似優(yōu)化算法，簡(jiǎn)稱QAOA，它用于通過(guò)從一組可能的解決方案中挑選最佳解決方案來(lái)解決數(shù)學(xué)優(yōu)化問(wèn)題。

由于量子計(jì)算機(jī)的性質(zhì)，與在半導(dǎo)體處理器上運(yùn)行的算法相比，這種類型的量子算法理論上能夠在幾秒鐘內(nèi)解決復(fù)雜的計(jì)算。然而，模擬這些算法需要機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)正確模擬和執(zhí)行有限版本的工作量子處理器。

這項(xiàng)研究是使用 Carleo 教授于 2016 年開發(fā)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具進(jìn)行的，這是第一次在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中模擬 QAOA。

在沒(méi)有量子計(jì)算機(jī)的情況下開發(fā)模擬量子軟件是朝著理解和推進(jìn)量子計(jì)算邁出的一大步。這項(xiàng)研究可以讓一些最有前途的量子計(jì)算算法在開發(fā)強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)之前進(jìn)行試驗(yàn)和研究。

展望未來(lái) 

隨著公司和大學(xué)進(jìn)入量子領(lǐng)域，這三種技術(shù)只是量子領(lǐng)域的一些最新進(jìn)展，每種技術(shù)都有獨(dú)特的想法和方法。

研究是基礎(chǔ)，因?yàn)榱孔佑?jì)算尋求成為一種有用的未來(lái)技術(shù)，有望在許多其他領(lǐng)域取得進(jìn)步。

通過(guò)為量子計(jì)算的復(fù)雜基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題開發(fā)軟件和硬件解決方案來(lái)降低進(jìn)入量子計(jì)算的門檻，這是讓更廣泛的研究人員更容易使用該技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵途徑。解決諸如量子位接線之類的問(wèn)題，甚至在量子芯片之外模擬 QAOA 等量子算法，都是加快量子計(jì)算發(fā)展的寶貴一步。

量子傳感器對(duì)于推進(jìn)量子技術(shù)也至關(guān)重要。然而，這種探測(cè)假設(shè)暗物質(zhì)粒子的特定用途不僅從物理學(xué)的角度來(lái)看很有趣，而且從工程的角度來(lái)看也很有趣——希望找到這些潛在粒子特性的實(shí)際應(yīng)用和用途。