藝術(shù)家的表演展示了研究人員的量子官能團(tuán)（色彩鮮艷的球體）與較大分子的連接。圖片來源：Stephan Sullivan
量子計(jì)算雖然仍處于早期階段，但有可能通過在最小尺度上利用粒子的奇怪行為來顯著提高處理能力。一些研究小組已經(jīng)報(bào)告說，執(zhí)行計(jì)算需要傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)數(shù)千年的時(shí)間。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，量子計(jì)算機(jī)可以提供牢不可破的加密和自然模擬，超越當(dāng)今的能力。
由加州大學(xué)洛杉磯分校領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)，包括哈佛大學(xué)的合作者，現(xiàn)在已經(jīng)為構(gòu)建這些計(jì)算機(jī)制定了一種全新的策略。雖然目前的技術(shù)水平采用了電路，半導(dǎo)體和其他電氣工程工具，但該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制定了一個(gè)游戲計(jì)劃，該計(jì)劃基于化學(xué)家定制設(shè)計(jì)原子構(gòu)建塊的能力，這些構(gòu)建塊在將它們放在一起時(shí)控制較大分子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。
上周發(fā)表在《自然化學(xué)》雜志上的研究結(jié)果最終可能導(dǎo)致量子處理能力的飛躍。
“我們的想法是，與其建造一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，不如讓化學(xué)為我們建造它，”加州大學(xué)洛杉磯分校的David S. Saxon總統(tǒng)物理學(xué)教授，該研究的通訊作者Eric Hudson說?！拔覀兯腥硕荚趯W(xué)習(xí)這種量子技術(shù)的規(guī)則，所以這項(xiàng)工作現(xiàn)在非?？苹?。
傳統(tǒng)計(jì)算中的基本信息單位是位，每個(gè)位都限制為只有兩個(gè)值之一。相比之下，一組量子比特（或量子比特）可以具有更廣泛的值范圍，從而成倍地提高計(jì)算機(jī)的處理能力。只需要超過1，000個(gè)正常位才能表示10個(gè)量子位，而20個(gè)量子位需要超過100萬個(gè)位。
這種特征是量子計(jì)算轉(zhuǎn)型潛力的核心，取決于原子相互作用時(shí)適用的反直覺規(guī)則。例如，當(dāng)兩個(gè)粒子相互作用時(shí)，它們可以變得連接或糾纏，因此測(cè)量一個(gè)粒子的屬性決定了另一個(gè)粒子的屬性。糾纏量子比特是量子計(jì)算的要求。
然而，這種糾纏是脆弱的。當(dāng)量子比特在其環(huán)境中遇到細(xì)微變化時(shí)，它們會(huì)失去實(shí)現(xiàn)量子算法所需的“量子性”。這將最強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)限制在100個(gè)量子位以下，并且將這些量子位保持在量子狀態(tài)需要大型機(jī)器。
為了實(shí)際應(yīng)用量子計(jì)算，工程師必須擴(kuò)大處理能力。Hudson和他的同事們認(rèn)為，他們已經(jīng)邁出了這項(xiàng)研究的第一步，理論指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)量身定制保護(hù)量子行為的分子。
科學(xué)家們開發(fā)了包括鈣和氧原子并充當(dāng)量子比特的小分子。這些鈣氧結(jié)構(gòu)形成了化學(xué)家所說的官能團(tuán)，這意味著它可以插入到幾乎任何其他分子中，同時(shí)也賦予該分子自己的性質(zhì)。
研究小組表明，即使附著在更大的分子上，它們的官能團(tuán)也能保持其所需的結(jié)構(gòu)。它們的量子比特也可以承受激光冷卻，這是量子計(jì)算的關(guān)鍵要求。
“如果我們能夠?qū)⒘孔庸倌軋F(tuán)結(jié)合到表面或一些長(zhǎng)分子上，我們可能能夠控制更多的量子比特，”哈德森說?！皵U(kuò)大規(guī)模也應(yīng)該更便宜，因?yàn)樵邮怯钪嬷凶畋阋说臇|西之一。你可以想做多少就做多少。
除了具有下一代計(jì)算的潛力之外，量子官能團(tuán)還可以成為化學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域基本發(fā)現(xiàn)的福音，例如通過幫助科學(xué)家更多地了解人體中各種分子和化學(xué)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。
“量子比特也可以成為非常靈敏的測(cè)量工具，”該研究的共同作者，加州大學(xué)洛杉磯分?；瘜W(xué)和生物化學(xué)助理教授Justin Caram說?！叭绻覀兡軌虮Ｗo(hù)它們，使它們能夠在生物系統(tǒng)等復(fù)雜環(huán)境中生存，我們將擁有大量關(guān)于我們世界的新信息。
哈德森說，基于化學(xué)的量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展實(shí)際上可能需要幾十年的時(shí)間，并且不確定能否成功。未來的步驟包括將量子比特錨定在較大的分子上，誘導(dǎo)系留的量子比特作為處理器進(jìn)行交互，而不會(huì)產(chǎn)生不必要的信號(hào)，并將它們糾纏在一起，使它們作為一個(gè)系統(tǒng)工作。
該項(xiàng)目由能源部撥款資助，使物理學(xué)家和化學(xué)家有機(jī)會(huì)通過特定學(xué)科的術(shù)語，并用共同的科學(xué)語言說話。Caram還贊揚(yáng)了加州大學(xué)洛杉磯分校輕松合作的氛圍。
“這是我參與過的智力最充實(shí)的項(xiàng)目之一，”他說?！鞍＠锟撕臀业谝淮我娒媸窃诮處熤行某晕顼?。這源于有趣的對(duì)話和對(duì)新朋友交談的開放態(tài)度。
