過去30年來，研究人員一直在努力開發一種可以解決任何計算問題的通用量子計算機。目前，來自加州和西班牙的團隊已經開發出一款原型裝置，可以解決物理和化學領域的多種問題，未來可能會應用到更廣泛的領域。
IBM和加拿大D-Wave公司此前曾使用不同的方法來開發可以提供某些功能的量子計算機。然而，此類設備無法擴展到更多量子位來解決傳統計算機無法解決的問題。
來自加利福尼亞州聖巴巴拉穀歌研究實驗室的計算機科學家以及來自加利福尼亞大學聖巴巴拉分校和西班牙巴斯克大學的物理學家最近在《自然》雜誌上描述了他們的最新設備。
南加州大學量子計算專家Daniel Lidar 表示：“從很多方麵來說，這是一個出色的結果，並且從量子計算行業中汲取了許多寶貴的經驗教訓。”
穀歌的原型產品結合了兩種量子計算技術。一種技術使用特殊排列的量子位來針對特定問題來設計計算機數字電路。這類似於傳統微處理器中的定製數字電路。
量子計算理論很大一部分都是基於這項技術。這還包括誤差修正方法，以避免計算結果出現偏差。但到目前為止，基於該技術的量子計算機僅限於幾個量子比特。
另一種技術稱為“絕熱量子計算（AQC）”。計算機將特定問題編碼為一組量子位，並逐漸調整這些量子位之間的相互作用，以“塑造”一個共同的量子態，從而得出解決方案。理論上，任何問題都可以編碼為一組量子位。
穀歌團隊的計算機科學家拉米巴倫茲（Rami Barends）表示，該技術受到隨機噪聲效應的限製，這可能會引入係統無法糾正的錯誤。此外，該技術不能保證有效解決任何問題。
然而，世界上第一個商用量子計算設備是基於AQC技術的。該產品來自英國D-Wave公司，售價約1500萬美元。穀歌也有D-Wave 設備。然而，Barends 和他的同事相信有更好的方法來利用AQC 技術。
他們希望找到某種錯誤糾正方法。如果沒有誤差校正，使用AQC 技術擴大計算規模將非常困難，因為誤差會在較大的係統中快速累積。該團隊認為，實現這一目標的第一步是將AQC技術與數字方法中的糾錯技術相結合。
在這項研究中，穀歌團隊使用了九個固態量子位。量子位由約400 微米寬的十字形鋁膜製成。然後將量子位固定在藍寶石表麵上。研究人員將這些鋁膜的溫度降低到0.02開爾文（約-273攝氏度），使金屬成為超導體，電阻完全消失。使用這些超導量子位，研究人員可以將信息編碼到其中。
相鄰量子位的相互作用由“邏輯門”控製。邏輯門使用數字方法將量子位操縱到某種狀態以獲得問題的解決方案。在演示中，研究人員排列量子位來模擬具有特定自旋狀態的磁性原子陣列。凝聚態物理中已經對此類問題進行了深入研究。然後，研究人員可以使用量子位來確定具有最低總勢能的原子自旋態的組合。
對於傳統計算機來說，這是一個非常簡單的問題。不過，穀歌的新設備還可以處理傳統計算機無法處理的所謂“非隨機”問題。這包括多電子相互作用的模擬，這以前需要精確的化學計算機模擬。在量子水平上模擬分子和其他物質將是量子計算最有價值的應用。
利達爾表示，新方法將使量子計算機能夠進行量子糾錯。盡管研究人員尚未證明這一點，但該團隊此前曾表示可以在九量子位設備上做到這一點。
穀歌團隊的另一名成員阿裏雷紮沙巴尼(Alireza Shabani)表示：“通過糾錯，我們的技術可以成為一種通用算法，可以擴展到任何大型量子計算機。”
穀歌的設備目前很大程度上停留在原型階段。不過，Lidal 表示，未來幾年，超過40 個量子位的設備將成為現實。
他說：“屆時，模擬量子動力學將成為可能，這是傳統硬件無法實現的。這意味著‘量子霸權’的到來。”
