放眼全球,不論是工程師、物理學家還是數學家都在競相對各種特殊材料進行測試,希望打造出世界上第一台量子計算機。量子計算機的性能足以在數小時內處理好現有計算機需要耗費數百萬年時間才能處理好的龐大數據。

當前研究人員已經對銫、鋁、氮化鈮、氮化鈦以及鑽石等特殊物質進行過實驗,以求證哪一類物質的粒子可以更好地維持量子疊覆狀態,在這個與常識相違背的狀態下粒子將同時以多個狀態存在。

但來自澳大利亞新南威爾士大學(University of New South Wales)的研究人員卻決定將一種成本低廉且已被廣泛使用的矽材料作為量子計算機的載體,這種矽材料是現代電子設備的基礎材料。目前該研究小組已經在研究中取得了重大進展。

研究小組成員認為由於矽材料目前已經被廣泛用於手提電腦及移動電話當中,因此一旦證明該材料可以作為量子計算機的載體,要製造出世界上第一台可以運行的量子計算機將會變得更加容易。事實證明,他們的信念最終得到了回報。

這個研究團隊在 2015 年 12 月取得了重大進展。澳洲電信公司(Telstra)宣布將於未來 5 年內向該團隊提供 1 千萬美元的資金,用於贊助與量子計算及通訊技術相關的研究工作。澳大利亞聯邦銀行(Commonwealth Bank of Australia)也承諾將向該團隊提供 1 千萬美元的研究資金。

米歇爾· 西蒙斯(Michelle Simmons)教授在該研究中心擔任主任一職,她本人更是在國際享有盛譽的量子領域研究者。在 90 年代末期,西蒙斯曾經在劍橋大學(Cambridge University)的卡文迪什實驗室(Cavendish Laboratory)擔任出任人員一職,研究領域是量子電子學。在卡文迪什實驗室期間,西蒙斯曾經閱讀過布魯斯· 凱恩博士(Dr Bruce Kane)的一篇學術論文,當時凱恩博士正在新南威爾士大學從事量子領域的研究工作。在論文中,凱恩博士提出了將原子內嵌於矽材料之上以打造出可擴展的量子計算機的理論假設。

「這個理論的可操作性並不理想,可是一旦得到實現,其所蘊含的價值將無可限量。」西蒙斯說道。

「這個理論假設的依據是打造出一定數量的單原子設備,但當時的技術水平並不具備打造單原子設備的條件。在論文中,凱恩博士提出了兩種可以打造出單原子設備的方法,這兩種方法和我在劍橋大學所使用的非常相似。在思考片刻以後,我認定這個理論可以被實現,我有這個信心。」

在 1999 年,西蒙斯申請加入新南威爾士大學在當時正在組建的一個研究團隊,該團隊的任務正是打造出凱恩博士在論文中所提及的部件。自加入以來,為了將凱恩博士的量子計算機理論轉化為現實,西蒙斯一直在努力著。

「在矽材料的研究中,我們在過去 5 年中一直處於領先地位。」西蒙斯說道,「自 2010 年以來,我們所發布的研究成果表明我們可以用單原子的形式進行編碼,並在矽材料之內打造出系統。我們甚至還可以對矽材料內的系統進行操控。」

在 2015 年 10 月,由新南威爾士大學安德魯· 蘇拉克教授(Prof Andrew Dzurak)帶領的研究團隊克服了讓量子計算機走向現實的一個重大難題,他們在矽材料上實現了量子比特之間的計算。換而言之,他們是世界上第一個讓量子比特實現交流的研究團隊。

為了實現量子比特之間的交流效果,蘇拉克教授的研究團隊構造了一種被稱為「量子邏輯門」(Quantum Logic Gate)的設備,正是這個設備讓兩個量子比特之間可以實現運算功能。除了蘇拉克教授的團隊以外,還沒有其他研究人員成功讓量子比特之間實現交流以創造出邏輯門,這是使用矽材料打造出量子計算機的基石。量子計算機需要使用次原子粒子作為處理單元(和一般計算機所使用的晶體管不同),這是其驚人性能的保證。

一個月後,該中心另一個由安德里亞· 莫雷諾教授(Prof Andrea Morello)帶領的研究小組展示了量子級別的計算機代碼可被書寫在矽質微芯片上,並以前所未有的精度完成了這項舉措。

通過將兩個量子比特(分別為單磷原子的電子和原子核)解除綁定,研究人員證明了處於分離狀態的粒子之間仍然存在著關聯,因此作用於其中一個粒子的動作也會對另一個粒子產生影響。這次解綁實驗表明了和傳統計算機所使用的標準數字代碼相比,研究人員已經具備使用更為豐富的量子級別的計算語言或代碼的能力。這類特殊代碼是量子計算機的運行基礎。

「現在我們正在構建全球第一個量子級別的集成電路,我們希望可以在 2020 年之前將成品打造出來。」西蒙斯說道,「除此以外,我們必須開展糾錯工作,以便在芯片出錯的情況下計算機仍可以通過多個平衡進程以消除錯誤。糾錯工作的完成尚需要約 5 年的時間。」

「現在我們證明了自己有能力在基礎階段上控制好量子化狀態,真正的問題是我們何時才可以打造出比傳統計算機的處理器更快的量子級別處理器?」

「這意味著我們需要從小比例模型階段向具備綜合處理能力的設備和原型階段轉移。這正是挑戰所在,我們預計將在未來 10 年內完成這項工作。」

西蒙斯教授曾於 2011 年榮獲「新南威爾士年度科學家」(NSW Scientist of the Year)的稱號,並於 2015 年早期榮獲尤里卡獎(Eureka Prize)。一直以來,西蒙斯都致力於讓量子計算的美麗新世界早日實現。她認為我們需要更從容地面對技術的發展,以免在高新技術商用化時感到不知所措。

西蒙斯曾經在 TEDx 上向數千人解釋她所從事的工作,她還和團隊一起製作了一些和其研究項目相關的解鎖視頻。在視頻中,西蒙斯和團隊通過類比法向人們解釋量子計算機所具備的超凡處理能力。

「驅使我前進的並不僅僅是我對於這份工作的熱愛,儘管在工作中我確實可以給嶄露頭角的研究人員提供指導。更重要的是我希望證明其他人的觀點是錯誤的。」西蒙斯說道。

「這得從我小時候說起。小時候我的父親經常和哥哥一起下象棋,我會坐在他們身邊旁觀並學習其中的規則。有一天我向父親提出對弈請求,儘管他對我的棋藝不屑一顧,但最終還是答應了我的請求。結果我在第一局就戰勝了父親。但人們不對你抱有任何期待的時候,你總會有種希望證明他們錯誤的衝動。」

西蒙斯之所以會選擇踏上科研的道路,還得感謝她在高中階段所遇到的一位「伯樂」——她的高中物理老師。他會在課堂上讓西蒙斯向全班同學解釋一些高深的物理學概念,當時西蒙斯的夢想是成為一名宇航員。

「一天我的物理老師把我帶到了校長的辦公室。進入辦公室後,他拿起了話筒,撥打了一串數字然後將話筒遞了給我。原來他之前已經和一名美國宇航員取得了聯繫,並說服他親自為我講解成為一名宇航員所需要的條件。」

「我的老師堅信我可以實現自己的夢想,她的信念給我帶來了很大的影響。我曾經嘗試和他取得聯繫並向其告知自己的近況,但很遺憾,我至今還未能和他取得聯繫。」

現在西蒙斯的工作非常繁忙,除了自身的研究工作之外,她還需要閱讀大量研究論文以跟進量子領域的最新進展。西蒙斯每週需要工作 6 天。

量子計算機將賦予人們從極龐大的數據集中快速獲取信息的能力,這種能力將會為醫療、國家安全及航空等領域帶來顛覆性的變革。

「這份工作所佔據的時間和經理實在是太多了,目前我每個週日都要工作。我有 3 個小孩,這對他們實在太不公平了。」西蒙斯說道。

「一旦佔據了國際領先的地位,你的每一個環節都需要跟上,這將佔據大量時間。但我相信生活中絕大多數事情都是這樣,只要你喜歡,你就有動力去完成工作。 」

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