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叩开量子计算机大门:牛津量子逻辑门精度提至99%

随着各国在量子信息科学领域的投入和研发，各个大学、研究室和公司的研发成果层出不穷。一台真正意义上的量子计算机或许会比我们预期的更早到来。

当地时间8月4日，《物理评论快报》（Physical Review Letters）发表了牛津大学教授在创造量子计算机道路上的一个里程碑：由英国工程和物理科学研究理事会（EPSRC）资助的网络量子信息技术中心（NQIT）的科学家已经将量子逻辑门（quantum logic gate）的精度提升到了让人惊叹的99%。这一精度已经达到了实际构建一台量子计算机所需的理论精度基准。

量子计算机

在理解这一研究成果的里程碑意义以前，大家可能得先理解什么是量子逻辑门，它和传统计算机又有什么不同。

首先，量子计算机和传统计算机都是用来处理数据的工具，其输出态和输入态之间存在逻辑关系。通常将实现从输入态到输出态演化的单元叫逻辑门。

在传统计算机中，通常采用二进制代买来传递和加工信息。数字0和1只表示两种不同状态，而不表示数值大小，称为逻辑值。比如：“与”、“或”、“非”等逻辑关系就是传统计算中的经典逻辑值。

由于量子具有量子叠加 （系统同时包含所有的可能测量结果，一旦某个测量发生，则结果将为定值）和量子纠缠（多粒子的叠加态，它们的属性相互关联影响）这两个特性。因此，就产生了与传统计算机最大的区别：传统计算机中一个比特只能有0和1中的一个状态，而在量子计算机中，一个比特可以同时具备0和1的状态，这个比特可以处于两个态的叠加态。

量子叠加

牛津大学物理系和巴利奥尔学院教授，也是此次研究成果的作者之一David Lucas在解释量子纠缠概念时，将它比作是位于世界不同地方能够感受彼此的痛苦和情绪的双胞胎。只不过这些科学家是在原子的尺度上这样做的。Lucas说：“量子纠缠描述了一种有两个量子物体存在的情况——在我们的案例中是两个单独的原子——它们共享一个共同的量子态。也就是说，测量其中一个原子的性质可以了解另一个原子的性质。”

量子纠缠

同时，传统计算机实现的是信息流动的单向过程，从输出不能再逆向输入。而量子计算则可以实现输入态和输出态的可逆过程。由此一来，量子计算机就能做到许多传统计算机无法做到的计算，计算也大大提升。

举例来说：某一天，你被要求在5分钟内，在美国国会图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母“X”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。

在这个假设中，普通计算机就是像疯子一样的那个你，需要5分钟内一本接一本的找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个，每个只需翻找一本书即可。

量子计算机

这次牛津大学两位教授的研究主要是寻找到了使用原子来构建量子逻辑门的方法。这需要将两个不同的原子放入到同一个量子纠缠态之中。之前已有专家表明如果这种逻辑门的精度低于99%，那么理论上就不可能构建出量子计算机。理论的阈值需要达到99.9%。

根据论文摘要，研究人员在激光驱动的两量子位和单量子位逻辑门上分别实现了99.9（1）% 和99.9934（3）% 的保真度（Fidelity），显著超过了容错量子计算所需的约99% 的最小阈值水平。

正是这样的背景说明了牛津大学这一成果的激动人心之处。有了这一研究成果后，一台真正意义上的量子计算机才离我们更近一步。

“事实证明量子机制的信息操作方式能给量子计算机带来远比任何可以想象的常规计算机更加高效的解决特定问题的方法。其中这样的一个问题是安全密码破解，另外还有搜索大型数据集等。量子计算机天生就很适合模拟其它量子系统，这可能有助于我们，比如说，理解化学和生物学相关的复杂分子。”牛津大学莫德林学院研究者、该论文的第一作者Chris Ballance博士在接受媒体采访时说。

当然，光是有高精度的逻辑门还不足以让我们制造出量子计算机。Lucas本人表示：“量子逻辑门本身并不能构成量子计算机，但如果没有它们，你也不能造出量子计算机。”

量子计算的惊人颠覆

理解了量子计算后，它还能解决复杂得多的问题。在寻找问题解决方案的时候，它们与人类极为相似，这将令它们可以执行许多人类才能胜任的工作。

美国主流网络媒体BI还曾评选出量子计算机最令人激动的7大应用。分别是提供更为精准的天气预报、更高效地发现新药、治理交通拥堵、加强军事和国防、更安全的加密通信、加速太空探索以及帮助机器学习和自动化。

谷歌工程主管哈特穆特·奈文（Hartmut Neven）认为，量子计算机可以帮助建立更好的气象模型，这可以让我们更深入地了解人类如何影响环境，并帮助我们确定现在能够采取哪些措施，以便能预防灾难发生。

除此之外，在新药的研发、人类基因分析排序上，量子计算都能发挥巨大作用。因为量子计算机可以绘制出数以万亿计的分子组合模式，并迅速确定最有可能生效的组合。新药的开发是一个漫长且复杂的过程，化学家们需要进行无数不同分子组合方式试验，以找到可真正有效治愈疾病的药物特性。这一过程可能需要数年时间，耗费数百万美元资金。但有了量子计算后，可以大大节省研发成本和药物研发时间。

同时，量子计算还能简化空中和地面交通控制的工作量，因为量子计算本质上是一种最优路径选择。它可以同时计算所有路线的长度，并以更快的速度筛选出最佳路线。这样一来，就可以在高速公路和复杂的城市公路网中避免拥堵。

正如前面所举的例子，量子计算可以在多任务、复杂且混乱的资料中找到具体细节，因此该技术还可以运用到关键情报的删选中。在此之前，卫星不断收集的大量照片和视频资料可能因计算能力有限而被过滤掉，但有了量子计算后，这种情况将得到改变，从而提高军事和国防的安全性。