跳动城乡网在外太空深处，无形的手塑造着宇宙。其中之一是暗物质，一种被认为可以束缚遥远星系的看不见的物质。另一种是暗能量，人们相信这种力量能够以抗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们设计了一种设备来测量它们对旋转电子的影响。然后，他们意识到这个想法在另一个领域有希望：量子计算。
量子计算机是信息技术的下一个前沿领域。曾经局限于遥远的理论和科幻小说，这些机器利用亚微观世界的古怪而奇妙的力量来解决对于经典计算机(想想 1 和 0)甚至是大规模、超大规模的超级计算机来说可能太困难的问题。今天。
近年来，这一蓬勃发展的全球性追求取得了巨大飞跃，大型科技公司、初创公司和政府都在寻求各种平台——每个平台都有优点和缺点。但由于这些系统运行的机制十分精密，数十年来将其投入可靠和实际应用的探索迄今仍难以实现。
现在，杰斐逊实验室领导的团队正凭借粒子加速器技术和可见宇宙研究中诞生的独特“CPU”投入到众所周知的领域。它可以与正在探索的一些嘈杂、耗能的原型相媲美甚至超越。
该研究的首席研究员 Riad Suleiman 表示：“我们正在为现有的核物理专业知识寻找新的途径。” “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。”
熟悉的戒指
苏莱曼专门研究注射器，这是一种将光束注入粒子加速器的装置。 1995 年，他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后，于 2007 年全职加入该实验室。苏莱曼加入了瓦西里·莫罗佐夫(前杰斐逊实验室加速器物理学家，在美国能源部橡树岭国家实验室工作)和马特·格劳(来自奥多明尼恩大学的俘获离子量子计算专家)的行列。
他们的量子计算“核心”已申请了完整的专利，其中涉及捕获带电原子(离子)并将其注入八字形光束线中。这种不锈钢真空密封环旨在保持离子在循环时的旋转。以这种方式存储的原子可以充当量子位(简称量子位)。
该项目于 2022 年在杰斐逊实验室的实验室定向研究与开发 (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，这是与美国能源部布鲁克海文国家实验室合作建造的下一代粒子加速器杰斐逊实验室。
其中一项 EIC 设计涉及形状像 8 字形的束线，其中包括一个用于在电子撞击加速离子之前存储电子的环。
“一些加速器面临的挑战是让所有粒子的自旋指向同一方向，”仍然参与 EIC 的莫罗佐夫说。 “你必须让它们保持对齐，因为如果你不小心，你最终会得到一个完全混乱的方向。8 字形被提议作为保持这种对齐以进行精密实验的通用方法。”
美国能源部最终选择的 EIC 大部分是圆形设计，但 8 字形模型并未被废弃。苏莱曼和莫罗佐夫组成了一个团队来探索这些新颖戒指的另一种用途：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多于反物质，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预计也会对与暗物质和暗能量相关的假设力高度敏感。
在这项研究中，苏莱曼的团队想到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，因此您很快就不会在办公桌或膝盖上找到这样的 CPU。他们只是可以访问不同的计算空间。
格劳说：“对于当今超级计算机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它们。”
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，例如纳米材料、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药物中有趣的蛋白质如何发挥作用，这非常有用。你可以在自然讲量子力学语言的计算机中尝试，而不是在烧杯中尝试。 ”。
量子位可以比作经典计算机的二进制位。但它们不是只表示 1 或 0，而是可以通过奇怪的量子叠加性质同时表示许多不同的可计算状态。通过另一种奇特的量子特性(称为纠缠)将它们串在一起，可以进一步增强它们的处理能力。
纠缠是量子系统的一个基本奇怪之处，在量子系统中，粒子的物理状态(例如自旋)可以直接相关——原则上即使它们相距数光年。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。该陷阱处于超高真空下，并被冷却到比深空还要冷的温度。
格劳说：“绝对零以上的百万分之一度是所有运动基本上被冻结的地方，这些粒子完全静止。” “在这些非常冷的温度下，你可以获得极大的控制力。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。
评级八分
亚马逊、谷歌、微软和 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、捕获离子和光子学，但尚不清楚哪种技术将脱颖而出。
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他部分隔离。外部干扰或内部信息泄漏可能会扰乱计算机运行的概率海洋。
通过防止和取消外部相互作用进行隔离，使离子能够保持其量子态。这种品质称为一致性，它必须持续足够长的时间，以便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然发生的自旋效应抵消，这样的环预计将提供超过三个小时的相干时间。就像漫威电影宇宙的《蚁人》系列中一样，在量子世界中，三个小时就是一生——而这个一生远远超过了当前的技术水平。
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 量子位系统可以在不退相干的情况下运行约 34 毫秒。 Quantinuum 的 H2 俘获离子系统的性能比这些平台稍好一些，相干性大于 100 秒，而 AtomComputing 的中性原子平台则有 40 秒的跨度。
预计八字形环在可存储的量子位数量方面也将优于这些系统。这些环长约 12 米，宽 6 米，相当于一间小公寓的面积，可聚集多达 3,000 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。量子位的绝对数量将在容错和纠错方面发挥很大作用。
格劳说：“能够通过纠错进行精确计算通常意味着您需要比满足算法需求更多的量子位。” “因此，归根结底，扩展确实是所有量子计算机都必须面对的巨大挑战。”
与此同时，IBM 的 Condor 可运行 1,121 个量子位，而 AtomComputing 的中性原子机器则可运行 1,180 个量子位。 Quantinuum 的 H2 目前使用 32 个量子位，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八字形的完整专利，该八字形利用了相当强大的量子自旋效应，而不涉及难以实现的粒子轨道运动的量子特征。
“八字形存储环的开发只是为了保存粒子的自旋，”苏莱曼说。 “这是一个非常简单的概念，但当你将其应用到不同领域时，结果证明是富有成效的。如果我们能够开始展示其功能，有一天我们可以与一家公司合作进一步开发这一想法。”
