新的量子计算范式： 改变游戏规则的硬件 实现更快的计算速度

一种可能改变游戏规则的量子计算硬件理论方法规避了当前量子计算机中存在的许多复杂问题。该策略在自然量子相互作用中实施一种算法，以比经典计算机或传统门式量子计算机更快的速度处理各种实际问题。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们利用自然量子相互作用开发出了一种突破性的量子计算方法。这种方法有望延长量子比特的寿命，利用格罗弗算法高效解决问题，并具有显著的抗错能力。

量子计算策略使用简单的磁场来旋转量子比特，如自然量子系统中的电子自旋。利用自然量子相互作用可以更快、更稳健地计算格罗弗算法和许多其他算法。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家尼古拉-西尼琴（Nikolai Sinitsyn）说："我们的发现消除了量子硬件的许多挑战性要求。"他是8月14日发表在《物理评论A》（Physical Review A）杂志上有关该方法的论文的共同作者。"自然系统，如金刚石中缺陷的电子自旋，恰恰具有我们的计算过程所需的相互作用类型。"

西尼琴说，研究小组希望与洛斯阿拉莫斯的实验物理学家合作，利用超冷原子展示他们的方法。他说，现代超冷原子技术已经足够先进，可以用大约40到60个量子比特演示这种计算，这足以解决许多目前经典计算或二进制计算无法解决的问题。量子比特是量子信息的基本单位，类似于我们熟悉的经典计算中的比特。

寿命更长的量子比特

新策略不需要在众多必须共享量子纠缠的量子比特之间建立一个复杂的逻辑门系统，而是利用一个简单的磁场来旋转自然系统中的量子比特，如电子自旋。自旋态的精确演化就是实现该算法所需的全部条件。西尼琴说，这种方法可以用来解决量子计算机所提出的许多实际问题。

量子计算仍是一个新兴领域，因为很难将长串逻辑门中的量子比特连接起来，也很难维持计算所需的量子纠缠。当纠缠的量子比特开始与计算机量子系统之外的世界发生相互作用并引入误差时，纠缠就会在一个称为退相干的过程中瓦解。这种情况发生得很快，限制了计算时间。量子硬件尚未实现真正的纠错。

新方法依靠的是自然纠缠而非诱导纠缠，因此需要的量子位之间的连接更少。这就减少了退相干的影响。因此，量子比特的寿命相对较长。

量子算法的进步

洛斯阿拉莫斯团队的理论论文展示了如何利用格罗弗算法比现有量子计算机更快地解决数字分区问题。作为最著名的量子算法之一，格罗弗算法可以对大量数据集进行非结构化搜索，而这些数据集会吞噬传统的计算资源。西尼琴举例说，格罗弗算法可用于在两台计算机之间平均分配任务的运行时间，以便它们同时完成其他实际工作。该算法非常适合理想化的纠错量子计算机，尽管它很难在当今容易出错的机器上实现。

抗错性和简单性

西尼琴说，量子计算机的计算速度比任何经典设备都要快得多，但迄今为止它们还极难实现。传统量子计算机实现的是量子电路--用不同的量子比特对进行基本操作的序列。

洛斯阿拉莫斯的理论家们提出了一个有趣的替代方案。西尼琴说："我们注意到，对于许多著名的计算问题来说，只要有一个具有基本相互作用的量子系统就足够了，在这个系统中，只有一个量子自旋（可通过两个量子比特实现）与其他计算量子比特发生相互作用。然后，仅作用于中心自旋的单个磁脉冲就能实现量子格罗弗算法中最复杂的部分。"这种量子操作被称为"格罗弗神谕"（Grovers oracle），指向所需的解决方案。

他说："在这个过程中，计算量子比特之间不需要直接相互作用，与中心自旋之间也不需要随时间变化的相互作用。他说，一旦中心自旋和量子比特之间的静态耦合设定好，整个计算过程只需应用简单的随时间变化的外部场脉冲来旋转自旋即可。"

重要的是，该团队证明了这种操作可以快速完成。研究小组还发现，他们的方法受到拓扑保护。也就是说，即使没有量子纠错，它也能抵御控制场和其他物理参数精度方面的许多误差。