离子电磁阱可能导致量子计算机的大量面世

据美国Physorg网2006年7月6日报道，美国国家标准与技术研究院的物理学家们设计并 制成了一种新型电磁离子阱，这种离子阱能够不费力地大批量生产，可能会使量子计算机体积足够大，并投入应用成为现实。6月30日的《物理评论快报》期刊上 报道了这一新型离子阱，它可以帮助科学家们克服目前在量子计算机研究上最大的障碍——将目前已经验证成功的各个部件与过程整体放大并加以运用。

　　 量子计算机利用的是物质与光线中最小的粒子所具有的非正常行为。它们有同时进行海量数字运算的理论能力，有潜力以远远超过传统计算机的速度解决某些问题，例如破解数据、加密密码或者在大型数据库中进行搜索等。

　　 离子(带电子)是在量子计算机中量子位(qubits)应用的理想选择。美国国家标准与技术研究院是世界各地试验离子位的18个研究小组之一，已经初步证明了量子计算机的所有基础组成部分，包括错误纠正等主要过程，同时提出制造结构规模更大的量子计算机的设想。

　　 新型离子阱是第一个实现所有电极都在一个水平层面上排列的功能性离子阱，与之前需要两或三层电极的离子阱相比，这种“芯片式”的排列更加容易制造，而且完全采用标准的微加工技术生产，它的黄金电极能够将离子限制在电极上面的40微米左右。

　　 美国国家标准与技术研究院的科学家们报告称，他们所研究出的单层离子阱能够捕捉十二个镁离子却不会从电极电压的波动中产生过多的热量—— 这也是一个重要的因素，因为发热问题已经限制了之前小型阱的发展前景。微型阱之所以较受欢迎是因为阱的体积越小，计算机的速度就越快。美国国家标准与技术 研究院仍然在继续进行研究并且与产业以及联邦实验室合作来制造结构更加复杂的单层阱，最终实现利用大概10到15个离子在激光的控制下进行逻辑运算。

　　 美国国家标准与技术研究院的量子信息研究：目标与远景

　　 美国未来的繁荣与安全在某种程度上可能需要依靠自然界中一些最小的粒子所具有的奇异性质。对量子信息(QI)进行的研究旨在寻求控制与开 发这些奇异性质，以便在科学以及社会方面加以利用。这一非凡的领域结合了物理学、信息科学以及数学，研究设计出纳米技术以取得今天的技术所无法想象的成 就。量子信息研究者已经发明出了超级安全的加密技术，设计了无法破解的密码，他们有一天将制造出量子计算机，能够在几秒钟内解决今天最好的超级计算机花费 几年的时间也无法破解的问题。在21世纪，量子信息将蓬勃发展并加强美国的经济与国防能力，其影响有如20世纪激光与晶体管带来的进步。

　　 世界各国认识到了量子信息研究对经济与安全所带来的影响，并且开始对其投入大量的资金。美国在这一领域的主力军就是美国国家标准与技术研究院，在所有的联邦机构中，它拥有规模最大的内部量子信息研究计划。

　　 美国国家标准与技术研究院的试验室的任务通常是：为推广那些具有改变未来潜力的新兴领域所带来的创新开发各种测量办法与标准。几乎没有任 何领域比量子信息更加需要这种支持，它不仅可能带来全新的信息处理概念，并且还涉及精确地控制各个原子、极小量的光线以及强度比灯泡中弱十亿倍的电流等等 的复杂硬件以及其他量子系统。因此，美国国家标准与技术研究院通过技术验证、新方法的开发、量子信息系统组件的评估测试以及其他相关科学发现，已经拥有了 发展量子信息所需的一流的技术与设施。

　　 美国国家标准与技术研究院首次开始量子信息研究是在上个世纪90年代初，当时物理学家大卫•温兰德与其同事发现对量子状态进行的研究将会 带来更加准确的原子钟。几年后，温兰德证明了第一个量子逻辑运算，这对于利用离子来处理信息的量子计算机来说，是具有先驱意义的一步。1999年，该实验 室发起了一个更为浩大的量子信息计划，随后其研究院的信息技术实验室与电子电气工程实验室也加入其中。

　　 这一跨学科计划以电气工程学、数学以及计算机科学家之间的强大协作为特点，使美国国家标准与技术研究院成为世界上在量子信息研究计划方面 最为突出的机构之一。其参与者包括，该研究院的研究者以及总统等级奖金获得者温兰德1997年诺贝尔物理奖获得者物理学家威廉姆D•飞利浦、量子信息理论 学家兼数学家伊南缪尔•科尼尔、总统青年科学家与工程成就奖获得者物理学家萨乌南等。该研究院在美国盖瑟斯堡市与波尔得市两地三所不同的实验室共九个分部 参加了这一计划。

　　 美国国家标准与技术研究院在离子阱量子计算领域的研究得到了广泛的认可，被誉为世界上最为先进量子信息研究活动之一。研制该研究院量子通 讯试验床的科学家在2004年史无前例地创造了传输量子密码钥最快的系统，密码钥即破解信息所需的代码，由于量子物理学的奇异性，在无法察觉的情况下不可 能截止这种代码的传输。其他研究还包括单光子源、感应器以及中心原子与“人工原子”计算等，这些研究同样在世界范围内处于领先水平。例如，该研究院最近正 验证了一种效率高达88%的单个光子探测装置，这是量子信息研究的又一新纪录，推动了实用量子通讯的发展。

　　 在针对测量与标准的核心任务与其量子信息研究计划之间具有很强的协同关系。例如，该研究院的科学家在量子系统方面的专业知识大多数来自数 十年的原子钟研究工作中。美国国家标准与技术研究院的超精准原子喷泉钟(世界上测量时间最为准确的装置)就是以精确地操纵并测量铯原子中两个量子能量等级 为基础(2005年3月)，而且精准等级还在不断提高之中，其量子计算研究所获得的新技术未来很有可能会为人们带来精准度更高的原子钟。

最终，美国国家标准与技术研究院的量子信息科学测量、试验以及技术将帮助美国工业开发出更新的信息技术，以保证美国的技术领先地位以及国家安全防卫能力。 虽然美国目前可能在这一领域处于领先地位(部分是由美国国家标准与技术研究院所作出的贡献)，但是欧洲、日本、澳大利亚等国家以及中国等发展中国家也具有 十分强大的竞争力并且还在继续发展