該示意圖顯示了八字形自旋透明存儲環中的捕獲離子如何用作量子計算機。圖檔來源：傑斐遜實驗室
在外太空深處，看不見的手塑造着宇宙。一種是暗物質，一種看不見的物質，被認為會束縛遙遠的星系。另一種是暗能量，這種力量被認為可以以反重力的力量将恒星結構推開。
為了尋找這些奇怪的宇宙影響的迹象，美國能源部托馬斯·傑斐遜國家加速器設施的科學家設計了一種裝置來測量它們對旋轉電子的假定影響。然後，他們意識到這個想法在另一個領域很有希望：量子計算。
量子計算機是資訊技術的下一個前沿領域。這些機器曾經局限于遙遠的理論和科幻小說，它們利用亞微觀世界的古怪而奇妙的力量來解決經典計算機（想想 1 和 0）甚至當今大型、超大規模超級計算機可能太難的問題。
近年來，蓬勃發展的全球追求取得了巨大的飛躍，大型科技公司、初創公司和政府都在追求各種平台——每個平台都有優勢和劣勢。但是，由于這些系統運作的微妙機制，迄今為止，将它們投入可靠和實際使用的長達數十年的探索已被證明是難以捉摸的。
現在，一個由傑斐遜實驗室上司的團隊正在用一種獨特的“CPU”，從粒子加速器技術和可見宇宙的研究中誕生，向衆所周知的圈子裡抛出帽子。它可以與一些正在探索的嘈雜、耗能的原型相媲美，甚至超過它們。
“我們正在為我們現有的核實體專業知識尋找新的途徑，”該研究的首席研究員Riad Suleiman說。“我們的目标是在傑斐遜實驗室開啟量子計算研究的新時代。
熟悉的鈴聲
蘇萊曼專門研究注射器，即向粒子加速器注入光束的裝置。他于 1995 年作為肯特州立大學的學生開始在傑斐遜實驗室工作，并在麻省理工學院和弗吉尼亞理工大學擔任博士後研究員後于 2007 年全職加入從業人員。
他們的量子計算“核心”申請了完整的專利，其中包括捕獲帶電原子（離子）并将它們注入八字形光束線。這種不鏽鋼真空密封環旨在保持離子在循環時的自旋。以這種方式存儲，原子可以充當量子比特——簡稱量子比特。
該項目于 2022 年在傑斐遜實驗室的實驗室指導研究與開發 （LDRD） 計劃下啟動，但其曆史可以追溯到很久以前。
莫羅佐夫在傑斐遜實驗室工作了十多年，然後于 2020 年加入橡樹嶺。他參與了電子離子對撞機（EIC）的早期設計概念，EIC是美國能源部布魯克海文國家實驗室與傑斐遜實驗室合作建造的下一代粒子加速器。
其中一項EIC設計涉及形狀像8字形的光束線，包括一個用于在電子撞擊加速離子之前存儲電子的環。
“一些加速器的挑戰是讓所有粒子的旋轉指向同一個方向，”仍然參與EIC的莫羅佐夫說。“你必須讓它們保持一緻，因為如果你不小心，你最終會得到一個完全混亂的方向。數字 8 被提議作為在精密實驗中保持這種對齊的通用方法。
美國能源部最終選擇的EIC主要是圓形設計，但八字形模型并沒有被廢棄。蘇萊曼和莫羅佐夫組成了一個團隊來探索這些新環的另一種用途：尋找有關宇宙起源和結構的線索。
實體世界的存在歸功于物質對反物質的過量，蘇萊曼說，八字形環是測量電子特性的理想場所，可以解釋這種不平衡。在這些環内旋轉的基本粒子也有望對與暗物質和暗能量相關的假設力非常敏感。
在這項研究中，蘇萊曼的團隊想出了戒指的另一種用途。
“這就是這個想法的實作方式，”蘇萊曼說。
量子領域
量子計算機不一定能制造出更快或更小的 CPU，是以您不會很快在辦公桌或膝蓋上找到一個。他們隻是可以通路不同的計算空間。
“對于超級計算機今天正在解決的一些最困難的問題，量子計算機有可能非常有效地解決這些問題，”Grau說。
可能受益的領域包括密碼學、資料科學、搜尋算法和人工智能。另一個是量子系統的模組化，如納米材料、量子化學、量子光學和量子場論。
“事實證明，這些計算機非常擅長解決量子實體問題，”格勞說。“如果你想模拟某些化學反應的途徑，或者藥物中有趣的蛋白質是如何工作的，這非常有用。與其在燒杯中嘗試，不如在自然會說量子力學語言的計算機上嘗試。
量子比特可以比作經典計算機的二進制比特。但是，它們不是隻表示 1 或 0，而是可以通過疊加的奇怪量子特性同時表示許多不同的可計算狀态。它們的處理能力可以通過另一個稱為糾纏的古怪量子特征将它們串在一起來進一步放大。
糾纏是量子系統的一個基本奇怪之處，其中粒子的實體狀态（如自旋）可以直接相關——原則上即使它們相距光年。這可以在使用振蕩電場限制離子（在本例中為镱）的陷阱内完成。陷阱在超高真空下冷卻到比深空更冷的溫度。
“高于絕對零度的百萬分之一度是所有運動基本上都被當機的地方，這些粒子完全靜止，”格勞說。“在這些非常寒冷的溫度下，你可以得到極高的控制力。這對于操作量子計算機至關重要。
從那裡，靜态和時變電場的組合将離子注入環中。
八分
亞馬遜、谷歌、Microsoft和IBM等大型科技公司正在探索基于超導的量子計算，傑斐遜實驗室的另一個團隊正在與私營部門合作，探索超節能的超導數字電子産品。其他公司和初創公司正在研究中性原子、俘獲離子和光子學，但目前尚不清楚哪種技術會從中分離出來。
可以說，量子計算機最關鍵的要求是它是一個“封閉的盒子”，這意味着它必須與宇宙的其餘部分隔離開來。來自内部的外部幹擾或資訊洩漏會擾亂計算機運作的泡沫機率海洋。
通過防止和消除外部互相作用進行隔離，使離子能夠保持其量子态。這種品質稱為連貫性，它必須持續足夠長的時間才能使計算機執行其複雜的算法。
由于光束線真空和八字形布局中自旋效應的自然抵消，這種環有望提供超過三個小時的相幹時間。就像在漫威電影宇宙的“蟻人”系列中一樣，三個小時在量子世界中是一生——而這一生遠遠超過了目前的藝術水準。
相比之下，IBM的超導Condor計算機提供約200微秒的相幹時間，而Xanadu的216量子比特系統可以在不退相幹的情況下運作約34毫秒。Quantinuum 的 H2 俘獲離子系統比這些相幹性大于 100 秒的平台表現更好，而 Atom Computing 的中性原子平台的跨度為 40 秒。
預計八字形環在可以存儲的量子比特數量上也将優于這些系統。這些環長約12米，寬約6米，大約相當于一間小較高價的電梯大廈的面積，可以積累多達3000個量子比特。蘇萊曼說，他們可以通過堆疊多個環來進一步擴大規模。量子比特的絕對數量将在容錯和糾錯方面大有幫助。
“能夠通過糾錯準确計算通常意味着你需要比滿足算法需求更多的量子比特，”Grau說。“是以，最終，擴充确實是所有量子計算機必須面對的巨大挑戰。
與此同時，IBM 的 Condor 在 1,121 個量子比特上運作，而 Atom Computing 的中性原子機器有 1,180 個量子比特。Quantinuum 的 H2 目前使用 32 個量子比特，IonQ 的 Forte 俘獲離子系統也是如此。
布魯克海文實驗室也在研究用于量子計算的存儲環，但其專利模型在設計上是橢圓形的，并且依賴于極端的光束冷卻。與此同時，蘇萊曼的團隊即将獲得其數字8的完整專利，該專利利用了相當強大的量子自旋效應，而不涉及粒子軌道運動中難以實作的量子特征。
“八字形存儲環隻是為了保持粒子的自旋而開發的，”蘇萊曼說。“這是一個非常簡單的概念，但當你将其應用于不同領域時，結果證明是富有成效的。如果我們能開始展示它的能力，有朝一日我們可以與一家公司合作，進一步發展這個想法。
由托馬斯·傑斐遜國家加速器設施提供