咱们平时用的电脑、手机,核心原理说白了,就是无数个微小的开关在不停地“开”和“关”。
“开”代表1,“关”代表0,所有的程序、视频、游戏,都是由这两个数字排列组合而成的。
这个规则简单又可靠,支撑了我们整个数字时代。
但现在,科学家们正在玩一种颠覆性的新游戏,他们手里的“开关”可不一般,它能同时处于“开”和“关”的状态,既是0又是1,甚至还能是这两者之间的任意一种混合状态。
这种神奇的开关,就是“量子比特”。
最近,从美国加州理工学院传来一个大消息,他们一口气造出了一个拥有超过六千个这种神奇开关的设备,数量上远远超过了之前的所有对手。
这听起来就像是科幻电影里的情节,那么,这个突破到底离我们普通人的生活有多远?
它是不是意味着能解决所有难题的超级计算机马上就要问世了?
还是说,这仅仅是科学家们在实验室里取得的一次阶段性成果,离真正的应用还有十万八千里?
要理解这件事的意义,我们得先想象一下科学家们是在怎样一个极限环境下工作的。
他们搭建的这个设备,内部温度被降到了零下273摄C度左右,这已经无限接近宇宙中理论上的最低温度——绝对零度了。
在这样一个几乎万物静止的冰冷世界里,6100多个铯原子被“请”了进来。
这些原子在正常温度下活泼得很,但在这种极端低温下,它们变得异常“冷静”,方便科学家们进行精细的操作。
接下来,就是见证奇迹的时刻。
研究人员们动用了一种被称为“光学镊子”的技术,这名字听着玄乎,其实就是用高度聚焦的激光束,像一只只无形的手,一个一个地把这些冷静下来的铯原子夹起来,然后按照设计好的图纸,将它们精准地安放在一个二维平面上,形成一个整齐划一的方阵。
最终,一个由超过六千个原子组成的微观“军团”就此诞生,每一个原子,都扮演着一个量子比特的角色,等待着指令。
从数量上看,这无疑是一个巨大的飞跃。
之前的世界纪录是由一家名为“原子计算”的公司创造的1180个量子比特,加州理工这次直接将这个数字提升了五倍还多。
在量子计算这个领域,量子比特的数量确实是一个非常重要的硬指标,因为数量越多,理论上能处理的信息就越复杂,计算能力也就越强大。
但是,如果仅仅是把一堆量子比特堆在一起,那意义并不大。
这就像你召集了一支六千多人的军队,但如果他们没有统一的指挥,不懂得协同作战,那也只是一群乌合之众,无法形成真正的战斗力。
所以,这次突破最核心的价值,并不仅仅在于“多”,更在于“能控制”。
量子比特有一个天生的“坏脾气”,那就是极其脆弱。
外界任何一点微小的干扰,比如一丝丝温度的波动、一个 stray 的电磁波,都可能让它瞬间从那个“既是0又是1”的神奇叠加态,变回一个普普通通的0或者1。
这个过程,科学家们称之为“退相干”,一旦发生,量子计算的优势就消失了。
加州理工的团队这次就证明了,他们不仅能把六千多个量子比特排列好,还能像一位经验丰富的指挥官一样,用精确调控的激光,让这个庞大的“军团”在相当长的一段时间里,保持队形整齐,也就是维持住它们宝贵的量子状态。
这就好比让六千多个旋转的陀螺同时保持平衡,难度可想而知。
除此之外,他们还展示了一项更高级的指挥技巧:阵型变换。
他们能够利用激光,在这个由原子组成的“棋盘”上,随心所欲地移动任意一个“棋子”,把它从一个位置高效地转移到另一个位置。
这个操作至关重要,因为未来要运行复杂的量子算法,就需要不同的量子比特之间进行互动和信息交换,就像下棋时不同棋子需要配合一样。
能够灵活地移动这些原子,就为未来实现这种复杂的内部通信打下了坚实的基础。
当然,我们也要理性地看待这次的成果。
正如一些领域内的其他专家,比如来自威斯康星大学的马克·萨夫曼教授所指出的,这次实验更像是一次成功的“阅兵”,它向世界展示了中性原子这条技术路线在“规模化”上的巨大潜力,证明了我们有能力把成千上万个量子比特组织起来。
但是,这支军队目前还没有真正上过战场,没有作为一个整体去执行过一次复杂的、需要所有士兵深度协作的“作战任务”。
换句话说,这台设备还没有进行实际的、有意义的量子运算。
它证明了“能造”,但离“好用”还有很长一段路要走。
放眼全球,量子计算的赛道上高手云集,大家选择的路径也各不相同。
就在大洋彼岸,我们中国的科研团队,例如以潘建伟院士为代表的科学家们,在另一条“光量子”赛道上同样取得了世界瞩目的成就。
他们利用光的最小单位“光子”作为量子比特,构建了像“九章”这样的量子计算原型机。
在处理某些特定的数学问题,比如“高斯玻色取样”时,“九章”所展现出的计算速度,已经远远超越了当今世界最强的超级计算机。
如果说加州理工的原子方案像是在打造一支规模庞大的陆军,追求的是通用性和可扩展性,那么中国的光量子方案则更像是一支精准打击的空军,专注于在特定领域实现突破。
两条路线各有千秋,共同推动着整个量子科技的前沿。
接下来,对于加州理工的团队而言,他们的任务清单上还有两个最关键的挑战。
第一,是为这支庞大的原子军队设计出高效的“作战方案”,也就是开发出能在这台机器上有效运行的量子算法。
第二,也是更根本性的挑战,是为这些脆弱的量子士兵穿上“铠甲”,也就是实现“量子纠错”。
因为量子计算的错误率远高于传统计算,必须建立一套机制,能够实时监测并修正计算过程中出现的错误,才能确保最终结果的准确性。
这就像给高速运转的精密仪器加上了一套强大的稳定和校准系统。
研究团队自己也表示,他们有信心在未来十年内,将这类设备的规模从现在的数千级别,提升到百万量子比特的级别。
那将是一个真正令人期待的时代,或许到那时,我们今天讨论的许多难题,都将在这张由激光和原子编织的“棋盘”上,找到答案。
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