该示意图显示了八字形自旋透明存储环中的捕获离子如何用作量子计算机。图片来源：杰斐逊实验室
在外太空深处，看不见的手塑造着宇宙。一种是暗物质，一种看不见的物质，被认为会束缚遥远的星系。另一种是暗能量，这种力量被认为可以以反重力的力量将恒星结构推开。
为了寻找这些奇怪的宇宙影响的迹象，美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施的科学家设计了一种装置来测量它们对旋转电子的假定影响。然后，他们意识到这个想法在另一个领域很有希望：量子计算。
量子计算机是信息技术的下一个前沿领域。这些机器曾经局限于遥远的理论和科幻小说，它们利用亚微观世界的古怪而奇妙的力量来解决经典计算机（想想 1 和 0）甚至当今大型、超大规模超级计算机可能太难的问题。
近年来，蓬勃发展的全球追求取得了巨大的飞跃，大型科技公司、初创公司和政府都在追求各种平台——每个平台都有优势和劣势。但是，由于这些系统运行的微妙机制，迄今为止，将它们投入可靠和实际使用的长达数十年的探索已被证明是难以捉摸的。
现在，一个由杰斐逊实验室领导的团队正在用一种独特的“CPU”，从粒子加速器技术和可见宇宙的研究中诞生，向众所周知的圈子里抛出帽子。它可以与一些正在探索的嘈杂、耗能的原型相媲美，甚至超过它们。
“我们正在为我们现有的核物理专业知识寻找新的途径，”该研究的首席研究员Riad Suleiman说。“我们的目标是在杰斐逊实验室开启量子计算研究的新时代。
熟悉的铃声
苏莱曼专门研究注射器，即向粒子加速器注入光束的装置。他于 1995 年作为肯特州立大学的学生开始在杰斐逊实验室工作，并在麻省理工学院和弗吉尼亚理工大学担任博士后研究员后于 2007 年全职加入工作人员。
他们的量子计算“核心”申请了完整的专利，其中包括捕获带电原子（离子）并将它们注入八字形光束线。这种不锈钢真空密封环旨在保持离子在循环时的自旋。以这种方式存储，原子可以充当量子比特——简称量子比特。
该项目于 2022 年在杰斐逊实验室的实验室指导研究与开发 （LDRD） 计划下启动，但其历史可以追溯到很久以前。
莫罗佐夫在杰斐逊实验室工作了十多年，然后于 2020 年加入橡树岭。他参与了电子离子对撞机（EIC）的早期设计概念，EIC是美国能源部布鲁克海文国家实验室与杰斐逊实验室合作建造的下一代粒子加速器。
其中一项EIC设计涉及形状像8字形的光束线，包括一个用于在电子撞击加速离子之前存储电子的环。
“一些加速器的挑战是让所有粒子的旋转指向同一个方向，”仍然参与EIC的莫罗佐夫说。“你必须让它们保持一致，因为如果你不小心，你最终会得到一个完全混乱的方向。数字 8 被提议作为在精密实验中保持这种对齐的通用方法。
美国能源部最终选择的EIC主要是圆形设计，但八字形模型并没有被废弃。苏莱曼和莫罗佐夫组成了一个团队来探索这些新环的另一种用途：寻找有关宇宙起源和结构的线索。
物理世界的存在归功于物质对反物质的过量，苏莱曼说，八字形环是测量电子特性的理想场所，可以解释这种不平衡。在这些环内旋转的基本粒子也有望对与暗物质和暗能量相关的假设力非常敏感。
在这项研究中，苏莱曼的团队想出了戒指的另一种用途。
“这就是这个想法的实现方式，”苏莱曼说。
量子领域
量子计算机不一定能制造出更快或更小的 CPU，因此您不会很快在办公桌或膝盖上找到一个。他们只是可以访问不同的计算空间。
“对于超级计算机今天正在解决的一些最困难的问题，量子计算机有可能非常有效地解决这些问题，”Grau说。
可能受益的领域包括密码学、数据科学、搜索算法和人工智能。另一个是量子系统的建模，如纳米材料、量子化学、量子光学和量子场论。
“事实证明，这些计算机非常擅长解决量子物理问题，”格劳说。“如果你想模拟某些化学反应的途径，或者药物中有趣的蛋白质是如何工作的，这非常有用。与其在烧杯中尝试，不如在自然会说量子力学语言的计算机上尝试。
量子比特可以比作经典计算机的二进制比特。但是，它们不是只表示 1 或 0，而是可以通过叠加的奇怪量子特性同时表示许多不同的可计算状态。它们的处理能力可以通过另一个称为纠缠的古怪量子特征将它们串在一起来进一步放大。
纠缠是量子系统的一个基本奇怪之处，其中粒子的物理状态（如自旋）可以直接相关——原则上即使它们相距光年。这可以在使用振荡电场限制离子（在本例中为镱）的陷阱内完成。陷阱在超高真空下冷却到比深空更冷的温度。
“高于绝对零度的百万分之一度是所有运动基本上都被冻结的地方，这些粒子完全静止，”格劳说。“在这些非常寒冷的温度下，你可以得到极高的控制力。这对于操作量子计算机至关重要。
从那里，静态和时变电场的组合将离子注入环中。
八分
亚马逊、谷歌、Microsoft和IBM等大型科技公司正在探索基于超导的量子计算，杰斐逊实验室的另一个团队正在与私营部门合作，探索超节能的超导数字电子产品。其他公司和初创公司正在研究中性原子、俘获离子和光子学，但目前尚不清楚哪种技术会从中分离出来。
可以说，量子计算机最关键的要求是它是一个“封闭的盒子”，这意味着它必须与宇宙的其余部分隔离开来。来自内部的外部干扰或信息泄漏会扰乱计算机运行的泡沫概率海洋。
通过防止和消除外部相互作用进行隔离，使离子能够保持其量子态。这种质量称为连贯性，它必须持续足够长的时间才能使计算机执行其复杂的算法。
由于光束线真空和八字形布局中自旋效应的自然抵消，这种环有望提供超过三个小时的相干时间。就像在漫威电影宇宙的“蚁人”系列中一样，三个小时在量子世界中是一生——而这一生远远超过了当前的艺术水平。
相比之下，IBM的超导Condor计算机提供约200微秒的相干时间，而Xanadu的216量子比特系统可以在不退相干的情况下运行约34毫秒。Quantinuum 的 H2 俘获离子系统比这些相干性大于 100 秒的平台表现更好，而 Atom Computing 的中性原子平台的跨度为 40 秒。
预计八字形环在可以存储的量子比特数量上也将优于这些系统。这些环长约12米，宽约6米，大约相当于一间小公寓的面积，可以积累多达3000个量子比特。苏莱曼说，他们可以通过堆叠多个环来进一步扩大规模。量子比特的绝对数量将在容错和纠错方面大有帮助。
“能够通过纠错准确计算通常意味着你需要比满足算法需求更多的量子比特，”Grau说。“因此，最终，扩展确实是所有量子计算机必须面对的巨大挑战。
与此同时，IBM 的 Condor 在 1,121 个量子比特上运行，而 Atom Computing 的中性原子机器有 1,180 个量子比特。Quantinuum 的 H2 目前使用 32 个量子比特，IonQ 的 Forte 俘获离子系统也是如此。
布鲁克海文实验室也在研究用于量子计算的存储环，但其专利模型在设计上是椭圆形的，并且依赖于极端的光束冷却。与此同时，苏莱曼的团队即将获得其数字8的完整专利，该专利利用了相当强大的量子自旋效应，而不涉及粒子轨道运动中难以实现的量子特征。
“八字形存储环只是为了保持粒子的自旋而开发的，”苏莱曼说。“这是一个非常简单的概念，但当你将其应用于不同领域时，结果证明是富有成效的。如果我们能开始展示它的能力，有朝一日我们可以与一家公司合作，进一步发展这个想法。
由托马斯·杰斐逊国家加速器设施提供