石墨烯和量子計(jì)算機(jī)都是人類技術(shù)創(chuàng)新下一代的標(biāo)志。每個(gè)都代表其在各自的起始領(lǐng)域（材料和計(jì)算）以及它們所應(yīng)用領(lǐng)域的革命性轉(zhuǎn)變。但是，最近的研究標(biāo)明這兩種最令人激動(dòng)的技術(shù)的發(fā)展可能會結(jié)合起來。

    夾在兩塊石墨烯片之間的絕緣氮化硼

    目前，世界各個(gè)科技強(qiáng)國都在布局研發(fā)量子計(jì)算機(jī)，這被認(rèn)為是未來的核心科技之一。這項(xiàng)技術(shù)的核心之一是尋求一種創(chuàng)造量子比特的方法-這些量子計(jì)算是穩(wěn)定的，這意味著它們不會受到環(huán)境變化的影響。這通常需要能夠在非常低的溫度下運(yùn)行的高度非線性非耗散元件。

    石墨烯和量子計(jì)算機(jī)都是人類技術(shù)創(chuàng)新下一代的標(biāo)志。每個(gè)都代表其在各自的起始領(lǐng)域（材料和計(jì)算）以及它們所應(yīng)用領(lǐng)域的革命性轉(zhuǎn)變。但是，最近的研究標(biāo)明這兩種最令人激動(dòng)的技術(shù)的發(fā)展可能會結(jié)合起來。

    為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，EPFL的光子和量子測量實(shí)驗(yàn)室LPQM（STI / SB）的研究人員研發(fā)出一種非線性的基于石墨烯的量子電容器，可以與超導(dǎo)電路的低溫條件兼容，并且基于二維（2D）材料。當(dāng)連接到電路時(shí)，該電容器具有產(chǎn)生穩(wěn)定量子位的潛力，并且還具有其他優(yōu)點(diǎn)，例如比許多其它已知的非線性低溫器件相對容易制造，并且對電磁干擾的敏感性更低。這項(xiàng)研究發(fā)表在了最新的《2D Materials andApplications》雜志上。

    正常數(shù)字計(jì)算機(jī)基于由0或1組成的二進(jìn)制代碼運(yùn)行計(jì)算。在量子計(jì)算機(jī)中，這些位由可以同時(shí)處于兩個(gè)狀態(tài)的量子位替代，并且可以任意疊加。這將顯著提高了其對某些類別應(yīng)用程序的計(jì)算和存儲容量。量子計(jì)算機(jī)對每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，也是量子計(jì)算機(jī)最重要的優(yōu)越性。但實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算有很苛刻的條件比如極低的溫度。

    迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計(jì)算機(jī)，問題是在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難了。已經(jīng)提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點(diǎn)方案和超導(dǎo)約瑟夫森結(jié)方案更適合集成化和小型化。將來也許現(xiàn)有的方案都派不上用場，最后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計(jì)，而這種新設(shè)計(jì)又是以某種新材料為基礎(chǔ)，就像半導(dǎo)體材料對于電子計(jì)算機(jī)一樣。

    為了產(chǎn)生穩(wěn)定的量子位，一種有希望的方法是使用超導(dǎo)電路，其中大部分電路基于約瑟夫遜效應(yīng)運(yùn)行。不幸的是，它們難以制造并對干擾磁場太敏感。這意味著最終的電路必須非常好地被隔離在電磁和電磁屏蔽上，這意味著元器件必須緊湊的集成在一起，給制造工藝帶來了很大困難。

    在EPFL的LPQM中，已經(jīng)探索了容易制造的電容器，不那么龐大且不太容易受到干擾的想法。它由夾在兩個(gè)石墨烯片之間的絕緣氮化硼組成。由于這種夾層結(jié)構(gòu)和石墨烯的不尋常性質(zhì)，進(jìn)入的電荷與生成的電壓成比例。這種非線性是產(chǎn)生量子位過程中的必要步驟。該設(shè)備可以顯著改善量子信息的處理方式，但也有其他潛在的應(yīng)用。它可以用于創(chuàng)建非常非線性的高頻電路 - 一直到太赫茲方式 - 或者用于混合器，放大器和光子之間的超強(qiáng)耦合。

    利用石墨烯在量子電容設(shè)計(jì)中的特殊性能，將使我們更加了解如何創(chuàng)建一個(gè)實(shí)用的量子計(jì)算機(jī)。這只是石墨烯的許多用途的一個(gè)例子。海水淡化、超導(dǎo)應(yīng)用等等能力，使得石墨烯有潛力引導(dǎo)我們進(jìn)入科學(xué)的新時(shí)代。

    也許，我們正站在下一個(gè)技術(shù)革命的十字路口。

    量子計(jì)算機(jī)，究竟有多神奇？

    2011年5月11日，D-Wave公司發(fā)布了一款號稱“全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)”D-Wave One量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢在于大幅縮短提取用戶所需信息的時(shí)間，它可以在幾天內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會花費(fèi)數(shù)百萬年才能處理的數(shù)據(jù)，因此未來的應(yīng)用前景十分令人神往。

    日前，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室宣布量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展：在兩次測試中D-Wave2X的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)模擬裝置計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行速度快1億倍。經(jīng)過與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比較，谷歌稱已證明其量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算。谷歌工程技術(shù)主管哈特馬特·納文表示，“這是一個(gè)值得我們歡欣鼓舞的結(jié)果，不過要將量子計(jì)算機(jī)帶入我們的日常生活，技術(shù)人員們要做的工作還有很多。”

    那么量子計(jì)算機(jī)到底為何物呢？讓我們一起走近量子計(jì)算機(jī)，揭開它神秘的面紗。

    讓計(jì)算速度“飛”起來

    正如電影《異次元駭客》中演繹得那般，在科技發(fā)達(dá)的時(shí)代，科學(xué)家們可以通過強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)虛擬出一個(gè)城市，虛擬城市中的科學(xué)家又虛擬出一個(gè)城市。不管是第一層虛擬或者第二層虛擬，其中的人類生活得怡然自得，他們有思想，有感覺。沒有人去懷疑世界的真實(shí)性，完全不知道自己是個(gè)人工智能。

    事實(shí)上，完成如此巨大模擬并不是一件容易的事情。一個(gè)人類個(gè)體本身所具有的全部特點(diǎn)、微小的變化以及本身細(xì)胞之間的各種間接的作用聯(lián)系，還有環(huán)境溫度、大氣變化等等將是一個(gè)難以估量的龐大數(shù)據(jù)，通用計(jì)算機(jī)將很難實(shí)現(xiàn)完全模擬，這就需要量子計(jì)算機(jī)來完成。

    據(jù)來自蝌蚪五線譜的文章稱，人們研究量子計(jì)算機(jī)最初很重要的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是探索通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算極限。早在1982年，頗有遠(yuǎn)見的美國著名物理物學(xué)家理查德·費(fèi)曼在一個(gè)公開的演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的新奇想法。1985年，英國物理學(xué)家大衛(wèi)·杜斯提出了量子圖靈機(jī)模型。理查德·費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，從而量子計(jì)算機(jī)的概念誕生了。

    目前，我們所有的計(jì)算機(jī)體系都是基于馮諾依曼式的組織結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行速度的增長已經(jīng)明顯放緩，對于大規(guī)模數(shù)據(jù)的分析計(jì)算效率也很難再提高。量子計(jì)算的提出，則是旨在專門為復(fù)雜問題的求解設(shè)計(jì)一種全新的計(jì)算機(jī)體系，即所謂的量子計(jì)算機(jī)。

    量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。

    谷歌日前宣布D-Wave量子計(jì)算機(jī)在解決問題時(shí)能夠比其他任何計(jì)算機(jī)都快出1億倍，并且能夠極大地推動(dòng)人工智能的進(jìn)步。據(jù)悉，谷歌此次宣布的重要佐證就是“量子退火”算法。這種算法確定了當(dāng)面臨一系列潛在解決方案時(shí)一個(gè)特定函數(shù)的全局極小值，即在給定一系列選項(xiàng)時(shí)，它能夠確定完成一個(gè)任務(wù)所需的最優(yōu)解決方案。谷歌對D-Wave計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算法與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上模擬量子隧道效應(yīng)的算法進(jìn)行了比較，量子計(jì)算機(jī)再次獲得了完勝。

    基于量子計(jì)算的機(jī)器，由于體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，將采用全新的算法，這使得大規(guī)模數(shù)據(jù)的計(jì)算與存儲不再成為難題。業(yè)界人士認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的巨大突破將為云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理乃至整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域帶來一場變革。

    并行計(jì)算是最大優(yōu)勢

    其實(shí)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算原理和薛定諤的貓是一樣的，利用的都是“量子疊加態(tài)”。這意味著計(jì)算機(jī)能同時(shí)嘗試所有可能的解，以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

    按照傳統(tǒng)算法，當(dāng)用戶需要提取某一個(gè)詞組信息或者需要解決一個(gè)問題時(shí)，計(jì)算機(jī)要先把所有可能性列舉出來并驗(yàn)證一遍才能得到正確的信息，而量子計(jì)算機(jī)能夠直接計(jì)算并提取出相應(yīng)信息。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，也是量子計(jì)算機(jī)最重要的優(yōu)越性。

    量子計(jì)算的神奇之處在于，它可以做到真正的并行計(jì)算與存儲。例如，一個(gè)數(shù)位的經(jīng)典存儲器可以存儲兩個(gè)數(shù)字0或者1，但在某一時(shí)刻這個(gè)數(shù)字要么是0要么是1；而對于量子比特存儲器來說，在同一時(shí)刻，它可以同時(shí)存儲0和1，其存儲和運(yùn)行能力都成指數(shù)上升，一個(gè)250量子比特的存儲器可以存儲的數(shù)字比我們已知宇宙所有的原子數(shù)還多。

    想像一下，你被要求5分鐘內(nèi)在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個(gè)字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)槟抢镉?000萬冊書。但是如果你處于5000萬個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就是像瘋子一樣的那個(gè)你，需要5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計(jì)算機(jī)卻能將你復(fù)制出5000萬個(gè)，每個(gè)只需翻找一本書即可。

    這是量子計(jì)算機(jī)公司D-Wave聯(lián)合創(chuàng)始人埃里克·勒迪辛斯基對其應(yīng)用前景的解釋。谷歌和NASA聯(lián)合研究的量子計(jì)算機(jī)，其實(shí)就是從這個(gè)公司購買的。2013年，谷歌從D-Wave系統(tǒng)公司購買了一臺量子計(jì)算機(jī)，并與NASA共同開展量子計(jì)算機(jī)的研究項(xiàng)目。D-Wave系統(tǒng)公司自2007年推出首臺量子計(jì)算機(jī)開始就備受爭議。一些學(xué)者認(rèn)為由于量子形態(tài)并不穩(wěn)定，量子計(jì)算機(jī)只是在理論層面可行。然而這次，谷歌和NASA一同證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的可操作性。

    顛覆你未來的生活

    谷歌宣布D-Wave2X的速度達(dá)到了傳統(tǒng)芯片的1億倍，實(shí)在是令人驚嘆。量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢莫過于大幅縮短提取用戶所需信息的時(shí)間，因此它被認(rèn)為可以在幾天里解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會花費(fèi)數(shù)百萬年時(shí)間才能處理的數(shù)據(jù)，未來的應(yīng)用前景十分令人神往。

    現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)大多是基于探測數(shù)據(jù)的推測，很難保證準(zhǔn)確。但量子計(jì)算機(jī)可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準(zhǔn)地顯示惡劣天氣會在何時(shí)何地出現(xiàn)。我們可以提前預(yù)測颶風(fēng)等極端天氣，從而預(yù)留足夠的時(shí)間拯救生命。

    每天出行GPS可以幫你優(yōu)化出最佳線路，但如果有了量子計(jì)算機(jī)，我們可以把整個(gè)城市甚至整個(gè)地球上所有人的出行計(jì)劃全都輸入進(jìn)去，讓它計(jì)算出最優(yōu)解，從而讓人們徹底告別交通擁堵。

    在研發(fā)藥物方面，量子計(jì)算機(jī)能夠描繪出數(shù)以萬億計(jì)的分子組成，并將其中最可能有效的組合快速識別出，顯著降低藥物的研發(fā)成本和周期。

    在探索太空方面，量子計(jì)算機(jī)可以處理望遠(yuǎn)鏡視野中更多的數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)更多的行星，并迅速識別出最有可能存有生命體的行星。

    盡管實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用還有很長的路要走，但各大公司對量子計(jì)算機(jī)的研究絕不會停止，因?yàn)樗茴嵏舱麄€(gè)世界。一旦計(jì)算速度出現(xiàn)質(zhì)的飛越，我們生活的方方面面都會被改變。

    “落地”仍面臨諸多難題

    既然量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)研制成功，那為什么現(xiàn)在還沒有普及呢？因?yàn)椋倪\(yùn)行條件要符合三個(gè)條件：真空環(huán)境、絕對零度和磁場保護(hù)。

    量子力學(xué)是研究微觀尺度的科學(xué)，要想控制計(jì)算機(jī)的量子位，其實(shí)就是需要操縱單個(gè)原子，因此條件是非常苛刻。原子在常溫下的速度高達(dá)到數(shù)百米每秒，只有讓原子保持在極低的溫度狀態(tài)，才能受控制。所以量子計(jì)算機(jī)D-Wave2X處理器溫度一直穩(wěn)定在-273℃，只比宇宙絕對零度高0.015℃而已。

    除此之外，量子計(jì)算機(jī)還要放到比地球磁場弱50000倍（基本相當(dāng)于沒有磁場）、大氣壓比地球小100億倍（基本相當(dāng)于真空）的環(huán)境中，以保持量子態(tài)的穩(wěn)定。

    除了對環(huán)境要求嚴(yán)格，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際落地推廣方面也會遇到一些障礙。由于量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算方法完全不同，因此編程的方式也完全不同并且更加復(fù)雜。這意味著，對于程序員來說，要掌握一套比現(xiàn)有算法更為復(fù)雜的編程方式。

    當(dāng)然，計(jì)算機(jī)還有許多需要克服的技術(shù)問題，比如量子的不穩(wěn)定性決定信息狀態(tài)不穩(wěn)定，這將影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性。

    事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難，但這并不能妨礙人們進(jìn)行大膽地探索與設(shè)想，也許不久的將來量子計(jì)算機(jī)就會出現(xiàn)在我們的生活中。

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