量子计算新突破！数据总线有望解决困扰科学家多年的难题

导语：伴随着量子计算的深入研究，量子计算时代的大门已经叩响。而量子计算机中那些亟待解决的问题仍制约着人类进军量子计算的步伐。目前，量子物理学家正在为“量子总线”的诞生奠定基础，这种量子总线可以在未来的量子计算机的内存和处理器之间传递量子信息，或将解决困扰科学家多时的难题。

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经典计算机把晶体管从一个状态切换到另一个状态，从而将数据表示为1和0，而量子计算机则是使用量子位来实现这一目的。由于量子力学的超现实性质，量子位可以处于叠加状态，在此状态下它们可以将1和0都表示出来。

量子位采用的叠加状态会让它们“一举两得”，即同时持有两个状态。如果两个量子位在量子力学的意义上是相联的，或者说是纠缠的，它们就可以同时拥有四个状态，三个量子位的话，就有八个状态，以此类推。理论上来说，300个量子位的量子计算机可以容纳比可见宇宙中的原子还要多的状态。因此，计算机算法就可以使用这种互相纠缠的量子位，在瞬间进行数量极其庞大的计算。

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图| IBM的量子计算机

量子位采用的叠加状态会让它们“一举两得”，即同时持有两个状态。如果两个量子位在量子力学的意义上是相联的，或者说是纠缠的，它们就可以同时拥有四个状态，三个量子位的话，就有八个状态，以此类推。理论上来说，300个量子位的量子计算机可以容纳比可见宇宙中的原子还要多的状态。因此，计算机算法就可以使用这种互相纠缠的量子位，在瞬间进行数量极其庞大的计算。

奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）的量子物理学家Hendrik Poulsen Nautrup说：“量子计算中，一个很大的挑战就是量子对象极其脆弱。但在理论上，我们可以使用量子纠错来保护这些对象。”

正如传统计算机具有可用作存储器和处理器的组件一样，未来的量子计算机也需要能存储数据或执行操作的量子位。这些量子存储器和量子处理器组件将需要承受不同的噪声阈值，量子存储器必须具备抗变化的能力，而量子处理器必须确保它能更加灵活地变化。正因如此，量子存储器和量子处理器就需要不同的纠错码。、

图| 量子存储器和量子处理器之间的纠错机制

之前，研究人员已经研制出了小型量子处理器和量子存储器。但是，因为这两种不同类型的组件是使用不同的协议来编码信息的，科学家们现在面临的挑战是如何在它们之间传递信息。

现在，Poulsen Nautrup和一个研究团队已经设计出一种实现这种混合架构的可行方法。他们近期已经在《自然通讯》杂志上详细介绍了他们的发现。“我们已经可以预想到，一台拥有独立组件、能够实现处理和记忆等不同目标的量子计算机，将在不久的将来被研制出来。”

这项新技术还包括修改一些对每个逻辑量子位进行编码的物理量子位。这项被研究人员称之为“子系统晶格手术”的策略，可以暂时将不同的逻辑量子位“缝合”在一起，例如在量子存储器或量子处理器中使用的量子位。一旦它们被耦合起来，信息就可以从一个系统传送到另一个系统。

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Poulsen Nautrup说：“大体上，全球各地有关的实验室都已经有了可借助的工具，来进行原理验证实验。”他和他的同事们现在正在和由因斯布鲁克大学的实验物理学家Rainer Blatt领导的小组开展合作。他说：“我还不能告诉你们太多，因为研究还正在进行之中，尚未完成。但是仅仅是中间的结果，就足以振奋人心了。”

现在，越来越多的研究成果在不断地向我们预示着即将到来的量子计算革命的蓝图，面对更具挑战性的计算任务和海量的数据处理，量子计算是否能肩负起人类的期望？让我们拭目以待。

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