違反法律：科學家希望通過量子計算破壞摩爾定律

量子物理定律影響日常生活中的波動，很少有人知道，從智能手機的電池到太陽能電池板產(chǎn)生的能量。隨著能源部(DOE (link is external))及其實驗室探索量子科學的前沿，例如計算單個原子的能級或分子如何組合在一起，更強大的工具是必需的。

“物理系統(tǒng)越大，問題就越嚴重 - 如果你超越了一個簡單的分子，我們無法解決這些能量差異，”勞倫斯利弗莫爾實驗室(LLNL)物理學家Jonathan DuBois說，他負責實驗室的量子相干設備物理(QCDP)組。“從物理學的角度來看，我們正在進行越來越多令人驚嘆的高度控制的物理實驗，如果你試圖模擬他們在經(jīng)典計算機上所做的事情，那么它幾乎就處于不可能的地步。”

在經(jīng)典計算中，摩爾定律假設集成電路中的晶體管數(shù)量大約每兩年翻一番。然而，有跡象表明，摩爾定律正在放緩，最終會陷入困境。這就是量子計算的用武之地。除了突破摩爾定律的障礙外，還有一些人將量子計算作為計算機的下一個發(fā)展步驟。它位于核安全管理局(核安全局)的優(yōu)先清單上(鏈接是外部的))的高級模擬和計算(ASC)計劃，正在通過其“超越摩爾定律”項目研究量子計算等新興技術。在LLNL，工作人員科學家DuBois和Eric Holland正在努力制定一項全面的共同設計戰(zhàn)略，以便將量子計算技術近期應用于核安全局任務領域的突出重大挑戰(zhàn)問題。

桌面計算機我們都熟悉二進制形式的存儲信息，無論是1還是零(開或關)，在量子系統(tǒng)中，信息可以存儲在疊加中，這意味著短暫的時間只需幾納秒，在投射到經(jīng)典二進制狀態(tài)之前，量子比特中的數(shù)據(jù)可以作為一個或零存在。從理論上講，這些機器可以比以前創(chuàng)建的任何計算機更快地解決某些復雜問題。雖然經(jīng)典計算機串行執(zhí)行功能(一次生成一個答案)，但量子計算機可能以高度并行的方式執(zhí)行功能和存儲數(shù)據(jù)，以指數(shù)方式提高速度，性能和存儲容量。

LLNL最近在量子相干設備組成員Eric Holland的領導下，推出了全功能量子計算實驗室和測試平臺設施。研究人員正在對實驗室的量子計算戰(zhàn)略計劃下的原型量子器件進行測試。該計劃現(xiàn)已進入第三年，由實驗室指導研究與開發(fā)(LDRD)資助，旨在設計，制造，表征和構建量子相干設備。DOE的高級科學計算研究(ASCR)使該建筑和示范項目成為可能，該項目由能源部科學辦公室管理，該項目積極探索量子計算是否以及如何對DOE應用有用。

LLNL的研究人員正在開發(fā)用于解決原型設備上的量子模擬問題的算法，這看起來很簡單且非常奇怪。它是一個圓柱形金屬盒，里面懸掛著藍寶石芯片。盒子保存在冷藏真空管(鍍金以提供固體熱匹配)內(nèi)，溫度低于外層空間 - 負460華氏度。它具有高超導性，在真空中面臨零電阻，從而延長了疊加狀態(tài)的壽命。

“這是一個完美的電導體，所以如果你可以在這里發(fā)送激勵，你將在盒子內(nèi)部獲得電磁(EM)模式，”DuBois解釋道。“我們正在使用盒子內(nèi)部的空間，量子化的EM場來存儲和操縱量子信息，小芯片耦合到場并操縱它們，確定不同量子態(tài)之間能量的精細分裂。這些能量差異是你用來改變量子空間的東西。“

為了“對話”，研究人員正在使用任意波形發(fā)生器，它產(chǎn)生一個振蕩信號 - 信號的時間決定了系統(tǒng)中正在進行的計算。DuBois說，物理學家基本上是為薛定諤方程建立量子求解器，幾乎所有物理學的基礎和量子計算系統(tǒng)動力學的決定因素。

“事實證明，實際上很難解決這個問題，而且系統(tǒng)越大，你需要跟蹤的數(shù)量呈指數(shù)級增長，”DuBois說。“這里的論點是我們可以建立一個自然地做到這一點的系統(tǒng) - 自然界基本上跟蹤了我們所有這些自由度，所以如果我們能夠仔細控制它，我們就可以基本上模擬一些問題的量子動力學我們感興趣的是，量子化學中的電荷轉(zhuǎn)移或生物學問題或核物理中的散射問題。“

了解該設備如何工作是DOE先進的量子模擬測試(AQuES)測試探路者計劃的一部分，該計劃正在分析幾種不同的方法，以創(chuàng)建一個功能齊全，有用的量子計算機，用于基礎科學和確定等領域。核散射率，分子中的電子結(jié)構或凝聚態(tài)物質(zhì)或了解太陽能電池板中的能量水平。2017年，DOE在三年內(nèi)向包括DuBois和Lawrence Berkeley實驗室物理學家Irfan Siddiqi和Jonathan Carter在內(nèi)的團隊頒發(fā)了150萬美元。該團隊希望確定量子系統(tǒng)的基礎技術，開發(fā)實用的，可用的量子計算機，并在實驗室建立量子能力以解決實際問題。

根據(jù)DuBois的說法，量子計算科學“處于轉(zhuǎn)折點。”他表示，在三年時間內(nèi)，該團隊應該能夠評估哪種類型的量子系統(tǒng)值得作為測試平臺系統(tǒng)進行評估。研究人員首先想要展示對量子計算機的控制并解決特定的量子動力學問題。然后，他們想要建立一個用戶設施或基于云的系統(tǒng)，任何用戶都可以登錄并解決復雜的量子物理問題。

“量子計算有多種競爭方法; 捕獲離子，半導體系統(tǒng)等，都有它們的怪癖 - 它們實際上都不是真正的量子計算機，“DuBois說。“硬件方面，這就是問題所在，'我們可以部署的第一批技術是什么，有助于彌合實驗室中實際存在的內(nèi)容與人們?nèi)绾螌⑦@些系統(tǒng)視為理論對象之間的差距? “”

自從1999年創(chuàng)建第一個超導量子比特或“量子比特”以來，量子計算機已經(jīng)走過了漫長的道路。在過去近20年中，量子系統(tǒng)已經(jīng)成倍增長，這可以通過量子比特疊加的壽命或者它的多長時間來證明將量子比特衰減為0或1. 1999年這個數(shù)字是納秒。目前，系統(tǒng)可達數(shù)十至數(shù)百毫秒，這聽起來可能不多，但每年，量子比特的壽命都翻了一番。

對于Testbed項目，LLNL的第一代量子器件將大約20個量子比特，DuBois說，足夠大到有趣，但小到足以使用。DuBois說，這種尺寸的系統(tǒng)可能會減少大多數(shù)現(xiàn)有超級計算系統(tǒng)從大約一天到幾微秒執(zhí)行量子動力學計算所需的時間。為了達到這一點，LLNL和LBNL物理學家將需要了解如何設計可以擴展量子態(tài)的系統(tǒng)。

“它需要持續(xù)很長時間才能成為量子，它需要可控，”杜波依斯說。“那里有一個頻譜; 空間越大，它就越強大。那就是它的可控性。最好的控制水平是將值更改為我想要的任何值。這就是我們的目標，但涉及到競爭。我們希望打到那個甜蜜點。“