西班牙学者研究利用超材料进行光量子计算

量子计算面临的最大难题之一，就是在提高计算能力的同时要降低错误率。西班牙国家研究委员会（CSIC）理论物理研究所的研究科学家Alejandro González Tudela正在研究解决这个问题的新方法——将一种超材料（具有独特属性的结构）的新功能与光量子特性相结合。自2014年以来，他的研究项目已获得BBVA基金会“莱昂纳多项目”资助的2000万美元。

在传统计算中，比特是信息的基本单位。传统比特是二进制的，因为它只能是0或1。比特的组合可以为计算机提供多种特性功能。但在量子计算中，基本单位是量子比特。它是一个量子系统，可以具有两种状态（0 和 1）中的一种，或者这些状态的任何叠加态。叠加是量子系统在被测量之前同时处于多个状态的能力。使用量子比特即有数以万亿个比特组合，因此有无限的计算可能性。CSIC研究员Alberto Casas称：一台由273个量子比特组成的量子计算机将比可观测宇宙中的原子拥有更多的内存。

问题是这种叠加的量子特性难以捉摸，保持稳定状态的时间很短。最轻微的环境变化（温度、电磁噪声或振动）都会降低这一特性，使量子计算机无法有效地执行大规模计算。这种效应称为“量子退相干”。

英国、美国和中国科学家最近在《自然物理学》上发表了一项研究：使用30量子比特可编程超导处理器来证明“量子信息处理应用程序可以调整为相互交互，同时在前所未有的时间内保持相干性。”这项研究也使用了纠错，但这项技术需要显著增加量子比特的数量，这也是量子计算一大挑战。

González正在采取一种创新的方式来解决这个问题，他使用具有独特属性的超材料结构来制造量子设备，该设备可以在不提高错误率的情况下获得更多的量子比特。González说：“这些超材料的特性被调制到实现罕见响应所需的波长以下，例如使材料不可见或聚焦超出其极限的光。该假设基于一个事实：光具有非常好的相干性（它很容易保持其量子特性）。因此，我们的目标是利用超材料对光的强烈响应来提高保真度。”

这个想法是利用光来保持其量子特性，因为它与环境的相互作用非常小。然而，使用光的缺点是难以操作。

González决定在他的研究中使用一种最近开发的超材料，因为这种材料具有相隔很短距离的原子网络，使得利用光的量子行为成为可能。González说：“通过将原子放置在非常短的距离处，它们可以集体行动，并且可以与光发生非常强烈的相互作用。”

通过使用这种更有利于光量子产生相干量子行为的超材料，可以克服操纵光子的困难，最终构建光量子计算机的硬件，解决可扩展性问题，建造具有更多量子比特和更少错误的量子计算机。 

González说：“探索替代范式很有趣，我的方法不一定会实现最终突破。目前，在超导电路中的离子阱、基于光子的量子技术都是实现量子计算的好方法。也许，巨大的飞跃将来自完全不为人知的东西，或者来自解决方案的组合。”González强烈认为有必要在获得莱昂纳多项目资助中开辟新的道路。Alberto Casas也表示赞同，他在最近出版的《量子革命》一书中写道：“量子计算的未来是未知的，但值得人们去探索。”

量子计算的价值不在于解决阶乘计算，也不是要弄清楚城市之间的最佳交通路线之类的后勤难题。González说，除了密码学，这项技术的最大目标是实现安全通信并解决一些物理和化学问题。这些是涉及许多交互元素的多方面问题，使用传统计算机很难解决。

González说，制药行业是量子计算可以在个性化治疗开发中提供“指数优势”的一个领域。“也许会发现可以从量子计算中受益的新问题，或者会开发出我们尚未想到的新应用程序。”

无论是在基础研究方面，还是在技术创新方面，西班牙都是量子竞赛的积极参与者。巴塞罗那超级计算中心被欧洲高性能计算联合企业 (EuroHPC JU) 选中，托管和运行其第一台量子计算机。新的基础设施将与MareNostrum 5超级计算机安装并集成，MareNostrum 5超级计算机是西班牙功能最强大的计算机，也是欧洲最先进的计算机之一。

QuantumSpain计划为该项目投资1250万欧元，该项目由欧盟和西班牙数字化与人工智能秘书处 (SEDIA) 共同出资。巴塞罗那超级计算中心主任Mateo Valero在一份声明中说：“这个新的基础设施集成了量子计算与MareNostrum 5，将推进多种学术应用。”巴塞罗那设施将连接到德国，捷克，法国，意大利和波兰的超级计算机网络，以满足欧洲工业对量子计算资源和服务日益增长的需求，并支持健康医疗、气候变化、物流和能源等领域的研究。

文章参考链接：

https://english.elpais.com/science-tech/2022-11-03/metamaterials-a-new-approach-to-quantum-computing.html

编译：卉可

编辑：慕一