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量子计算
单量子算法和体系结构最终将需要硬件来运行，我们已经探索了主要的实验努力是如何努力产生它。甚至在15年前，计算机科学家和物理学家普遍认为量子计算机是一种有趣但可能无法达到的理论珍品。1994年，贝尔实验室(现在麻省理工学院)的彼得·肖尔(Peter Shor)发表了他著名的量子因式分解算法，能够破坏广泛使用的依赖于大数因式分解难度的密码系统。今天，来自世界各地大学、研究所和公司的100多个小组的数千名物理学、计算机科学和工程研究人员正在探索量子信息的前沿，包括量子计算，以及最近商业化的量子密码学和量子隐形传态通信技术。在这个世界范围内的研究界，几乎所有领域的进展都在加速，这让人们相信，实际的量子计算机确实是可以实现的。
量子计算的潜力一直是诱人的:指数级扩展的计算能力可以解决传统计算机无法解决的问题。关键在于利用量子纠缠信息单元(量子位)的叠加。但研究的挑战是令人生畏的:如何创建并可靠地使用量子位进行计算，这需要精致的经典控制的看似相互排斥的条件，同时与任何可能破坏纠缠的外部影响隔离。
量子计算机的计算能力随着它使用的量子位的数量呈指数增长。使用量子算法(以及适当的量子纠错技术，以确保答案是正确的)，一个量子计算机将需要几十到几百个量子比特来解决有趣的问题。量子位还必须通过量子通信通道连接到逻辑门中，逻辑门可以被操纵来实现算法。
然而，对于量子计算机来说，仅仅拥有并连接量子位是不够的。它们必须保持足够长时间的纠缠，以完成算法所需的门操作数量和强制性的错误纠正。更快的门操作，更高的保真度(门操作正确完成的百分比)和更高的纠错效率可以加快计算速度或减少解决问题所需的量子位的数量。
到目前为止，已经开发了十多种不同的创建量子位搜索的方法，它们都有各自的优势和挑战。以下是主要候选人的名单:
离子陷阱使用电场和/或磁场和激光冷却来创建具有微米级离子间间距的“伪分子”量子寄存器。通常，量子比特是被捕获离子的两级运动模式。模式由激光脉冲调制。离子运动就像一个数据总线，门是通过调制邻近离子实现的。
“与其他量子计算技术相比，我们的退相干时间可以长达10分钟，”科罗拉多州博尔德市国家标准与技术研究所的Dave Wineland说。“但我们的门相当慢，我们的两个量子比特门大约5微秒。”由于分解一个100到200位的数字需要100万次操作，即使是无错误的实现也要比维护量子比特的时间长得多。奥地利因斯布鲁克实验物理研究所的Rainer Blatt领导的研究人员最近创造了量子比特保真度的记录:99.3%。
将CMOS芯片与离子阱集成是最近的一项创新，它允许量子通信，但使用传统的控制和测量。朗讯公司的Richard Slusher(现就职于乔治亚理工学院量子研究所)和Jungsang Kim(现就职于杜克大学)设计了一种离子阱模拟物，类似于数码相机中使用的基于电子的电荷耦合器件芯片。麻省理工学院的Isaac Chuang说:“这种设计为大量离子提供了可寻址性。”
量子点是一种流行的量子比特固态主机。荷兰代尔夫特的Lieven Vandersypen研究小组去年11月报告说，他们已经使用交变电场来控制砷化镓量子点中的单个电子。电气控制比以前使用的磁场控制更具选择性。他们翻转单电子自旋(一个简单的门)的保真度略低于磁场控制所达到的73%，但预计随着他们经验的积累，保真度会提高。未来的研究将冒险研究无自旋宿主，如硅和碳(碳-12，纳米管，石墨烯)，它们预计有更长的退相干时间。
线性光学量子位是通过同时产生正向和反向光子并将其逻辑状态编码为垂直和水平偏振而产生的。这种方法的优点是退相干时间长，与光纤兼容，但需要更高的光子创造和探测效率。去年12月，来自昆士兰大学的安德鲁·怀特(Andrew White)的团队报告说，他们使用了一个包含四个量子位的线性光学电路，找到了15(5和3)的质因数，从而证明了该系统执行肖尔算法所需的核心过程的能力。
今年4月，美国西北大学(Northwestern University)的普雷姆·库马尔(Prem Kumar)宣布了在光纤中创建的量子门。几年前，库马尔展示了光子可以在纤维中纠缠100公里的距离。最新的研究结果将有助于为分布式量子信息网络创建量子中继器。
超导量子位可以有三种类型:电荷、通量和相位。每一种都使用约瑟夫森结的激发态:两块超导体被绝缘体隔开，绝缘体薄到足以让库珀电子对穿过。这种方法是可扩展的，因为超导可以实现快速控制和读出，以及广泛分离的量子位之间的大型可控耦合。然而，它也需要极低的温度，而且往往退相干时间很短(到目前为止只有几微秒)。加州大学圣巴巴拉分校的John Martinis团队最近测量了相位-量子比特系统中单量子比特保真度高达98%。耶鲁大学的罗伯特·舍尔科普夫(Robert Schoelkopf)的团队开发了一种300微米长的“跨子”量子比特，对噪声非常稳定。
迄今为止，已经开发了十多种不同的创建量子位的方法。
混合的方法结合父母的优点。Chuang的研究小组正在将离子阱集成到超导量子位元中。“离子阱很难连接到任何东西上，”Chuang说。“如果能有一个离子阱，有电线进出，那就太好了。”Vandersypen说，随着离子阱变得越来越小，它们最终可能看起来像量子点。
递波系统去年，该公司宣布了16量子位(2月)和28量子位(11月)的运行，两次成为新闻。绝热量子计算机。然而，许多科学家对这些说法及其重要性持怀疑态度。绝热方法是模拟退火的量子版本，它涉及到系统向解的缓慢演化。怀疑者说，这种方法将被证明既不能容错，也不能扩展。尽管该公司对其方法披露的科学细节很少，但其总裁兼首席执行官乔迪·罗斯表示，目前还没有证据证明量子计算的标志——纠缠。
钻石系统是一个有趣的新进入者。量子比特是碳晶体中一个空位附近的氮杂质的自旋状态。根据汤姆·肯尼迪2003年在海军研究实验室的研究，“氮空位颜色中心”有两个引人注意的优势:它们的自旋状态可以在室温下初始化并通过光学读出;金刚石中的弱自旋轨道耦合使该量子比特与环境分离得很好。几个小组已经开始研究这个系统，它的退相干时间从大约50微秒增加到近1毫秒。
挑战包括设计控制单个量子位并将它们耦合在一起的方法。但加州大学圣巴巴拉分校的David Awschalom对此持乐观态度。“如果你几年前告诉我，”他说，“你将尝试在室温下以千兆赫频率控制固态材料中的单个电子，我会说，‘祝你好运!’”现在我们正在这么做。”
该系统也可以作为研究固态材料自旋相互作用的一个可访问的测试平台，这可能有助于其他系统和一般量子物理知识的成功。Awschalom的团队最近观察到，来自单个“氮-空位中心”自旋的量子信息消失在与更常见的氮杂质相关的自旋“浴”中，而氮杂质与空位无关……然后再次出现。“在量子物理学中，这是一件大事，”Awschalom说。“这是一个古老的问题。已经有1000篇关于这个的理论论文，但没有实验。”
然而，最近全面的进展激发了人们对量子计算最终成功和影响的乐观情绪，这在15年前是不可想象的。例如，IBM Research的David div文森zo在1995年证明了量子算法可以只用两个量子比特运算来执行，后来为实用量子计算机设计了7个被广泛接受的标准，他说:“我相信量子计算机最终将改变世界，并将深刻影响未来信息处理的方式。”
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