加州大學(xué)圣巴巴拉分校(UCSB)的研究人員們成為了最先將量子處理器與能夠用于存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)的內(nèi)存相結(jié)合的人。這一量子計(jì)算界的成果復(fù)制了上世紀(jì)40年代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)相似的里程碑。

　　盡管目前量子計(jì)算基本上還是一個(gè)科研項(xiàng)目，但它有望使計(jì)算機(jī)的能力遠(yuǎn)超當(dāng)前水平。量子計(jì)算機(jī)的能力來(lái)自它們最基本的計(jì)算單元——比特位(bit)。在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)里，一個(gè)比特位在某一時(shí)刻只能表示1或0。多虧了量子力學(xué)的特性，量子計(jì)算機(jī)中同等作用的量子位(qubit)能夠一次同時(shí)表示兩個(gè)值。當(dāng)處于“疊加”狀態(tài)的量子位協(xié)同工作時(shí)，它們處理的數(shù)據(jù)量會(huì)比同等數(shù)量普通比特位有指數(shù)級(jí)的提高。

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　　超低溫：當(dāng)溫度降至接近絕對(duì)零度時(shí)，這塊芯片就變成了一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，其中包括一個(gè)處理器(兩個(gè)黑色的方塊)和內(nèi)存(兩側(cè)的蛇形線)。

　　來(lái)源：埃里克?魯塞羅將處理器和內(nèi)存元件相結(jié)合使這種應(yīng)用更加接近我們，因?yàn)樗鼞?yīng)當(dāng)會(huì)使對(duì)可運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作和編程變得更加實(shí)際，領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的馬特奧?馬利安托尼(Matteo Mariantoni)說(shuō)到。該項(xiàng)目是由約翰?馬丁尼斯(John inis)和安德魯?克里蘭德(Andrew Cleland)領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)更大的項(xiàng)目的一部分。

　　研究人員采用的設(shè)計(jì)被稱為馮?諾依曼(von Neumann)架構(gòu)——以約翰?馮?諾依曼(John von Neumann)的名字命名，他提出了將處理器和內(nèi)存結(jié)合起來(lái)制造計(jì)算機(jī)的想法。在上世紀(jì)40年代后期馮?諾依曼的設(shè)計(jì)首次制造出之前，計(jì)算機(jī)只能通過(guò)物理上的重新配置實(shí)現(xiàn)重編程?！拔覀?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫拿恳慌_(tái)計(jì)算機(jī)都是基于馮?諾依曼架構(gòu)的，而且我們已經(jīng)制造出了量子力學(xué)的等價(jià)品，”馬利安托尼說(shuō)。

　　唯一能夠購(gòu)買(mǎi)到的量子計(jì)算機(jī)(售價(jià)1000萬(wàn)美元)缺少內(nèi)存并且工作起來(lái)像一臺(tái)前馮?諾依曼計(jì)算機(jī)。

　　量子位可以通過(guò)多種方式獲得，比如將離子或原子懸浮在磁場(chǎng)中。該UCSB小組更多地使用了傳統(tǒng)電子電路，盡管必須把溫度降至接近絕對(duì)零度以使其達(dá)到超導(dǎo)狀態(tài)并激發(fā)它們的量子行為。它們可以通過(guò)用于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的芯片制造技術(shù)被組合到一起。馬利安托尼表示，超導(dǎo)電路的使用讓該團(tuán)隊(duì)得以將量子位和內(nèi)存元件在一塊芯片上緊密地放置在一起，這使得這一靈感來(lái)自馮?諾依曼的新型設(shè)計(jì)成為可能。

　　這種處理器由兩個(gè)量子位組成，它們由一條能夠使其通訊的量子總線相連。每個(gè)量子位還與一個(gè)內(nèi)存元件(該量子位可以將其當(dāng)前值存入其中以備之后使用)連接，從而起到傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上RAM的作用，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)內(nèi)存訪問(wèn)。量子位與內(nèi)存之間的連接包含了名為振蕩器的設(shè)備，這是一些可以讓量子位的值在其中短暫存儲(chǔ)的之字形電路。

　　馬利安托尼的小組已經(jīng)利用這一新系統(tǒng)運(yùn)行了一個(gè)名為T(mén)offoli門(mén)(Toffoli gate)的算法，這是一種計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)模塊，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)任何傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)程序。該團(tuán)隊(duì)還利用其設(shè)計(jì)執(zhí)行了一項(xiàng)數(shù)學(xué)運(yùn)算，其背后的算法可能會(huì)讓量子計(jì)算機(jī)能夠破解復(fù)雜的數(shù)據(jù)加密。

　　大衛(wèi)?舒斯特爾(David Schuster)領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)芝加哥大學(xué)同樣致力于量子計(jì)算和超導(dǎo)電路的小組。他表示，超導(dǎo)電路已于最近被證實(shí)是相當(dāng)可靠的了?！叭缃襁@些技術(shù)的下一個(gè)重要突破便是規(guī)模，”他說(shuō)。通過(guò)復(fù)制馮?諾依曼架構(gòu)，UCSB團(tuán)隊(duì)已經(jīng)拓展了這一領(lǐng)域。

　　盡管這并不是說(shuō)量子計(jì)算機(jī)必須完全采用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所使用的設(shè)計(jì)。“你或許能制造一臺(tái)完全不使用量子位的計(jì)算機(jī)，并且它也能夠完成各種計(jì)算，”舒斯特爾說(shuō)。然而使用振蕩器(就像在這一全新設(shè)計(jì)中內(nèi)存所使用的)有著諸多優(yōu)點(diǎn)?！罢袷幤鞯闹圃毂攘孔游桓菀滓哺煽?，并且更容易控制，”舒斯特爾說(shuō)到。

　　馬利安托尼對(duì)此表示贊同?！拔覀兡軌蚝苋菀椎?cái)U(kuò)大這些晶體單元的數(shù)量規(guī)模，”他說(shuō)?！拔蚁嘈?，振蕩器陣列將代表集成電路量子計(jì)算的未來(lái)。”