弯道超车？美国物理学家攻克量子计算机所需关键组件

我国近年来在量子通讯、量子计算领域的发展可谓突飞猛进，2013年6月8日，由我国潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队全球首次实现了用量子计算机（quantum computer）求解线性方程组的实验，这一成就被公认为是量子信息技术最具前景的应用之一。

据介绍，线性方程组广泛应用于几乎每一个科学和工程领域。日常的气象预报，就需要建立并求解包含百万变数的线性方程组，来实现对大气中温度、气压、湿度等物理参数的模拟和预测。而高准确度的气象预报则需要求解具有海量数据的方程组，假使求解一个亿亿亿级变数的方程组，即便是用现在世界上最快的超级计算机也至少需要几百年。

尽管如此，现阶段的所谓量子计算机仍停留在一个玩具的阶段，只能进行1+1=2的简单运算，国外量子领域知名教授Bennett表示，真正做出有实际应用价值的量子计算机或许要等到10年，甚至50年之后！不过，近日来自美国的科学家们表示他们已经发明出了量子计算机所需的关键基本组件，让我们离量子计算机更近了一步。

量子计算机是一种遵循量子力学规律，并可进行高速数学与逻辑运算、处理及存储量子信息的物理设备装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。

2016年，诺贝尔物理学奖授予了三名英国科学家，以表彰其利用先进数学方法来解释超导体、薄层磁性物质等异乎寻常的物质状态。正是基于此理论，美国斯坦福大学研究团队与悉尼大学的科学家通过拓扑绝缘体成功将量子计算机中的重要元件——循环器的体系缩小到原来的1/1000。

最重要的是，科学家发现物质在不同状态之间转换而对称性不受到破坏，就好比水分子重新排列成冰或水蒸汽时的情况。随着将电子元件的体积缩小到几乎接近原子的尺度，电子在不同维度上的移动方式就变得越来越重要。目前，把数十万个量子比特（描述信号可能状态的特征）压缩到足够小的空间依旧是一个不小的挑战。

不过，就算现有技术能够满足数百万的量子比特压缩，经典的计算机技术手段又能够控制它们吗？循环器类似于电信号的环形交叉口，可以确保量子信息仅在单一方向传输，是实现规模扩大的量子计算机在经典界面基础上发明的全新元件。

如今，美国科学家已经证明：由特定的拓扑绝缘体制成的磁化晶圆可以攻克这项挑战，使最终的成品体积仅为现有元件的1000分之一。

研究的主要作者Alice Mahoney表示，这种紧凑型循环器可以在各种量子硬件平台上使用，且不受特定的量子系统限制。

科学技术的发展过程充满了偶然和未知，就算是物理学泰斗爱因斯坦也决不会想到，为了批判量子力学而用他的聪明大脑假想出来的EPR态，在六十多年后不仅被证明是存在的，而且还被用来做量子计算机。

迄今为止，全世界并没有出现真正意义上的量子计算机。但是，全球各地的实验室、科学家们正在付诸巨大的热情实现这一梦想。随着科技的发展，或许不久的将来我们就会看到有关量子计算机的爆炸式新闻。那一天，哪怕现在最好的超级计算机在它面前也会黯然失色。

文/朱张航宇

参考文献：Zero-field edge plasmons in a magnetic topological insulator, Nature Communicationsvolume 8, Article number: 1836 (2017)