在最新一期的《科学》杂志上，一项震惊世界的研究成果被公之于众。来自韩国、日本、西班牙和美国等国的科学家们通过操控扫描隧道显微镜（STM）的尖端发射微波信号来控制钛原子，使这些原子执行了量子计算。这一突破性的研究不仅挑战了我们对传统计算机的认知，也为我们揭示了一个全新的科技世界。

尽管这个量子计算平台在短期内不太可能与目前的主流量子计算方法媲美，但它却为我们打开了一扇通往未知世界的大门。通过这种方式，我们可以研究化学元素甚至分子的量子特性，这对于理解自然界的基本规律具有重大意义。

量子计算到底是啥？

“遇事不决，量子力学”，大概是很多人对于量子科技的第一印象。有些人认为这是骗人的玄学，有些人认为这是无所不能的未来科技。量子科技到底是啥？通过量子科技实现的量子计算到底强在哪？简单来说，量子就是能表示物质特性的物质最小单元的统称。我们中学课本学到的分子、原子和电子其实都是量子的不同形式。比如，水分子就是水的量子。量子力学研究的就是这些最小单位的运动规律。量子科技就是研究如何把微观物质的运动规律运用到宏观生活的科学技术。这项技术到底有什么神奇的地方呢？

很多人可能听说过“薛定谔的猫”，就是那只既是生又是死的猫咪。这就是量子特征之一，叠加态。在宏观世界我们的状态都是确定的，也就是说，同一时间我们只能出现在一个地方。而在量子世界里，在不被观测的情况下，你可以既在北京又在上海，既在摸鱼又在工作。另一个特征是纠缠态。简单来说就是，两个“纠缠”的量子会产生“心电感应”，不管隔多远，它们的状态会保持链接。比如，有两个纠缠的电子，你观测到其中一个电子在“下旋”，那么不管隔多远，另一个电子必定在“上旋”。就好比有一双手套，不管这两只手套在哪，如果你手上的是左手套，那么另外一只必定是“右手套”。

量子计算机就是把这两项特性运用在计算领域的产物。

传统计算机处理数据都是靠芯片中晶体管的“开关”来实现，“开”代表1，“关”代表0。这就是我们说的比特，一个晶体管代表一个比特位。同一时间，一个比特位只能表示1或0。也就是说，假如电脑芯片中只有2个晶体管，它们就只能表示00、01、10、11其中一种。如果把晶体管换成量子，也就是量子比特，情况就不一样了。根据量子的叠加态的特性，一个量子比特既可以是1，也可以是0。所以两个量子比特可以同时表示00、01、10、11。信息量一下翻了4倍。

传统计算机中用于计算的比特相当于表演团队的成员，在表演时每个成员都有明确的角色，而量子比特可以同时把唱、跳、Rap、篮球全都搞定。

量子计算机还有一项传统计算机没有的技能，并行运算。拿破解密码来说，破解一个4位数的数字密码，传统的操作方式是线性运算。通俗讲就是，一个个试，从0000试到9999。运气不好密码刚好是9999，就得试一万次。而使用并行运算就可以同时试多个密码。量子比特越多，并行处理的运算越多。

显微镜操控钛原子自旋

此次量子计算领域迎来的重大突破，是科学家利用扫描隧道显微镜（STM），发射微波信号成功控制钛原子，从而实现了微观量子计算。相关成果本月发表在《Science》期刊上。论文强调这种微观量子平台不会和主流量子计算争夺地位，但依然吸引了不少量子科学家的关注，未来可用于研究化学元素甚至分子的量子特性。

论文认为固体中的单个电子自旋是量子科学和技术的有希望的候选者，电子自旋只有“向上”和“向下”两个值，对应经典比特的“0”和“1”，而在测量之前电子自旋处于各种可能的叠加状态。

研究人员首先将钛原子散射在由氧化镁制成的平坦表面上，然后使用STM探针的尖端移动钛原子，将其中3个原子排列成三角形。利用STM尖端发射的微波信号，研究人员能控制其中一个钛原子中单个电子的自旋。三个钛原子排列在扫描隧道显微镜（STM）内，距离足够近，可以感知彼此的量子自旋。粘在STM尖端（顶部）的铁原子与其中一个量子位（蓝色）“对话”，用它来读取和写入另外两个量子位（红色）的信息，并使它们执行基本的量子计算。

通过适当调整微波的频率，它们还可使微波的自旋与其他两个钛原子的自旋相互作用。借助这一方法，研究团队创建了一个简单的由两个量子比特执行的量子运算，并读取出结果。整个操作历时几纳秒，运算速度快于大多数其他类型的量子比特。

量子计算是一种新型计算模式，其遵循量子力学规律调控量子信息单位进行计算，即利用量子叠加和纠缠等物理特性，以微观粒子构成的量子比特为基本单位，通过量子态的受控演化实现计算处理。在上述研究中，科学家研究了自然界中“原始”的量子比特——电子的自旋，测量其方向只能产生两个可能的值：“向上”或“向下”，对应经典比特的“0”和“1”。整个操作历时几纳秒，运算速度快于大多数其他类型的量子比特。

开启量子计算新篇章

操控单原子构建新型量子计算平台是一种具有重大意义的研究，它可能推动我们进一步理解并掌握量子计算的前沿技术。在这种研究中，科学家们通过操控单个原子来实现量子计算。例如，他们使用扫描隧道显微镜（STM）的尖端来发射微波信号，以控制钛原子执行量子计算。这种技术的出现，为我们构建更小、更高效的量子计算平台提供了新的视角。

对于未来，这种操控单原子的量子计算平台有望帮助我们更好地理解和模拟化学元素甚至分子的量子特性。这不仅将为理论化学、材料科学等领域带来巨大的计算能力，而且还能为药物研发、材料设计等实际应用提供更强大的支持。虽然这种技术在短期内可能无法与目前的主流量子计算方法相媲美，但其巨大的潜力和影响力不容忽视。随着科学的不断进步和技术的发展，我们有理由相信，操控单原子构建新型量子计算平台将会在未来的量子计算领域中发挥越来越重要的作用。

总的来说，操控单原子构建新型量子计算平台是一项具有重大意义的科研工作，它可能会对未来的量子计算发展产生深远影响。科学家们通过操控单个原子来实现量子计算，展现了量子计算领域的巨大潜力和可能性。这不仅是一次科技的革命，更是一次对人类认知的挑战。我们是否准备好迎接这个新的科技时代？我们是否能够理解和掌握这种全新的技术？这些问题值得我们深思。

在这个信息爆炸的时代，我们需要有独立思考的能力，需要有勇于探索的精神，需要有对未来充满希望的心态。让我们一起期待这个新的科技时代的到来，一起探索未知的世界，一起创造更美好的未来。

文章来源： IT之家，无双枫叶dx，莘县融媒