博科園：科學科普-粒子物理學類

科學家們已經制造出了迄今為止最大最復雜的量子計算機網絡，得到了20個不同的糾纏量子比特(或量子比特)來相互通信。然后團隊可以讀出所有這些所謂的量子位中包含的信息，為計算機創建一個量子“短期記憶”的原型。雖然過去的努力使超舊激光器中的大量粒子糾纏在一起，但這是研究人員首次能夠證實它們確實存在于網絡中。他們的研究發表在4月10日的《物理評論X》(Physics Review X)雜志上，將量子計算機推向了一個新的水平，接近所謂的“量子優勢”，研究人員說，量子計算機的量子位比傳統的硅晶片計算機更出色。

一個由20個量子比特組成的巨大糾纏網絡使量子計算機離現實更近一步。圖片：University of Innsbruck

從比特到量子

傳統的計算是基于二進制語言的0和1，一個只有兩個字母的字母表，或者是一系列的球體翻轉到北極或南極。現代計算機使用這種語言，通過金屬和硅電路發送或停止電流，開關磁極性或使用具有雙重“開或關”狀態的其他機制。然而，量子計算機使用一種不同的語言——有無數的字母。如果二進制語言使用地球的南北兩極，那么量子計算將會利用這兩者之間的所有點。量子計算的目標是同時使用兩極之間的所有區域。但是這樣的語言應該寫在哪里呢？你不可能在五金店找到量子物質。

因此研究小組用激光束捕獲鈣離子，通過將這些離子以能量脈沖的方式，它們可以將電子從一層移動到另一層。在高中物理中，電子在兩層之間反彈，就像換車道一樣。但實際上電子并不存在于一個地方或一層——它們同時存在于許多地方，這是一種被稱為量子疊加的現象。這種奇怪的量子行為提供了設計一種新的計算機語言的機會——它使用了無限的可能性。而經典的計算使用位，這些鈣離子在疊加成為量子比特或量子位。

雖然以前的工作已經創造了這樣的量子位，但制造計算機的訣竅就是讓這些量子位相互交流。該論文的第一作者、維也納量子光學和量子信息研究所的高級研究員尼科萊·弗里利斯(Nicolai Friis)說：擁有所有這些單獨的離子并不是你真正感興趣的東西。如果他們不和對方說話，那么你能做的就是用非常昂貴的經典計算。

通話比特

在這個案例中，為了得到量子位“說話”依賴于量子力學的另一個奇異結果，叫做糾纏。當兩個(或更多)粒子似乎以一種相互協調、相互依賴的方式運行時，即使相隔很遠的距離，它們之間也會發生糾纏。大多數專家認為糾纏粒子將是關鍵，因為量子計算從實驗室實驗到計算革命。研究合著者、奧地利因斯布魯克大學(University of Innsbruck)物理學教授Rainer Blatt說：20年前兩個粒子的糾纏是一件大事。但是當你真的想要建立一個量子計算機時，必須工作的不僅僅是5、8、10或15個量子位。

最終我們將不得不與許多更多的量子位一起工作。這個團隊成功地將20個粒子連接到一個可控的網絡中——仍然缺少一個真正的量子計算機，但是迄今為止最大的一個網絡。雖然他們仍然需要確認所有的20個都是完全相互纏繞的，但這是邁向未來超級計算機的堅實一步。到目前為止，量子位并沒有超過經典的計算機位，但布拉特說：那一刻——通常被稱為“量子優勢”即將到來。

博科園-科學科普｜文：Erik Vance/Live Science

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總結

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