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一種可能改變游戲規(guī)則的量子計(jì)算硬件理論方法規(guī)避了當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)中存在的許多復(fù)雜問題。該策略在自然量子相互作用中實(shí)施一種算法，以比經(jīng)典計(jì)算機(jī)或傳統(tǒng)門式量子計(jì)算機(jī)更快的速度處理各種實(shí)際問題。
洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們利用自然量子相互作用開發(fā)出了一種突破性的量子計(jì)算方法。這種方法有望延長量子比特的壽命，利用格羅弗算法高效解決問題，并具有顯著的抗錯(cuò)能力。
量子計(jì)算策略使用簡單的磁場來旋轉(zhuǎn)量子比特，如自然量子系統(tǒng)中的電子自旋。利用自然量子相互作用可以更快、更穩(wěn)健地計(jì)算格羅弗算法和許多其他算法。
洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家尼古拉-西尼琴（Nikolai Sinitsyn）說："我們的發(fā)現(xiàn)消除了量子硬件的許多挑戰(zhàn)性要求。"他是8月14日發(fā)表在《物理評論A》（Physical Review A）雜志上有關(guān)該方法的論文的共同作者。"自然系統(tǒng)，如金剛石中缺陷的電子自旋，恰恰具有我們的計(jì)算過程所需的相互作用類型。"
西尼琴說，研究小組希望與洛斯阿拉莫斯的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家合作，利用超冷原子展示他們的方法。他說，現(xiàn)代超冷原子技術(shù)已經(jīng)足夠先進(jìn)，可以用大約40到60個(gè)量子比特演示這種計(jì)算，這足以解決許多目前經(jīng)典計(jì)算或二進(jìn)制計(jì)算無法解決的問題。量子比特是量子信息的基本單位，類似于我們熟悉的經(jīng)典計(jì)算中的比特。
壽命更長的量子比特
新策略不需要在眾多必須共享量子糾纏的量子比特之間建立一個(gè)復(fù)雜的邏輯門系統(tǒng)，而是利用一個(gè)簡單的磁場來旋轉(zhuǎn)自然系統(tǒng)中的量子比特，如電子自旋。自旋態(tài)的精確演化就是實(shí)現(xiàn)該算法所需的全部條件。西尼琴說，這種方法可以用來解決量子計(jì)算機(jī)所提出的許多實(shí)際問題。
量子計(jì)算仍是一個(gè)新興領(lǐng)域，因?yàn)楹茈y將長串邏輯門中的量子比特連接起來，也很難維持計(jì)算所需的量子糾纏。當(dāng)糾纏的量子比特開始與計(jì)算機(jī)量子系統(tǒng)之外的世界發(fā)生相互作用并引入誤差時(shí)，糾纏就會(huì)在一個(gè)稱為退相干的過程中瓦解。這種情況發(fā)生得很快，限制了計(jì)算時(shí)間。量子硬件尚未實(shí)現(xiàn)真正的糾錯(cuò)。
新方法依靠的是自然糾纏而非誘導(dǎo)糾纏，因此需要的量子位之間的連接更少。這就減少了退相干的影響。因此，量子比特的壽命相對較長。
量子算法的進(jìn)步
洛斯阿拉莫斯團(tuán)隊(duì)的理論論文展示了如何利用格羅弗算法比現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)更快地解決數(shù)字分區(qū)問題。作為最著名的量子算法之一，格羅弗算法可以對大量數(shù)據(jù)集進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化搜索，而這些數(shù)據(jù)集會(huì)吞噬傳統(tǒng)的計(jì)算資源。西尼琴舉例說，格羅弗算法可用于在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)之間平均分配任務(wù)的運(yùn)行時(shí)間，以便它們同時(shí)完成其他實(shí)際工作。該算法非常適合理想化的糾錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)，盡管它很難在當(dāng)今容易出錯(cuò)的機(jī)器上實(shí)現(xiàn)。
抗錯(cuò)性和簡單性
西尼琴說，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度比任何經(jīng)典設(shè)備都要快得多，但迄今為止它們還極難實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的是量子電路--用不同的量子比特對進(jìn)行基本操作的序列。
洛斯阿拉莫斯的理論家們提出了一個(gè)有趣的替代方案。西尼琴說："我們注意到，對于許多著名的計(jì)算問題來說，只要有一個(gè)具有基本相互作用的量子系統(tǒng)就足夠了，在這個(gè)系統(tǒng)中，只有一個(gè)量子自旋（可通過兩個(gè)量子比特實(shí)現(xiàn)）與其他計(jì)算量子比特發(fā)生相互作用。然后，僅作用于中心自旋的單個(gè)磁脈沖就能實(shí)現(xiàn)量子格羅弗算法中最復(fù)雜的部分。"這種量子操作被稱為"格羅弗神諭"（Grover's oracle），指向所需的解決方案。
他說："在這個(gè)過程中，計(jì)算量子比特之間不需要直接相互作用，與中心自旋之間也不需要隨時(shí)間變化的相互作用。他說，一旦中心自旋和量子比特之間的靜態(tài)耦合設(shè)定好，整個(gè)計(jì)算過程只需應(yīng)用簡單的隨時(shí)間變化的外部場脈沖來旋轉(zhuǎn)自旋即可。"
重要的是，該團(tuán)隊(duì)證明了這種操作可以快速完成。研究小組還發(fā)現(xiàn)，他們的方法受到拓?fù)浔Ｗo(hù)。也就是說，即使沒有量子糾錯(cuò)，它也能抵御控制場和其他物理參數(shù)精度方面的許多誤差。
