一種可能改變遊戲規則的量子計算硬件理論方法規避了當前量子計算機中存在的許多複雜問題。該策略在自然量子相互作用中實施一種算法，以比經典計算機或傳統門式量子計算機更快的速度處理各種實際問題。

洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家们利用自然量子相互作用开发出了一种突破性的量子计算方法。这种方法有望延长量子比特的寿命，利用格罗弗算法高效解决问题，并具有显著的抗错能力。

量子計算策略使用簡單的磁場來旋轉量子比特，如自然量子系統中的電子自旋。利用自然量子相互作用可以更快、更穩健地計算格羅弗算法和許多其他算法。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室的理論物理學家尼古拉-西尼琴（Nikolai Sinitsyn）說：”我們的發現消除了量子硬件的許多挑戰性要求。”他是8月14日發表在《物理評論A》（Physical Review A）雜誌上有關該方法的論文的共同作者。”自然系統，如金剛石中缺陷的電子自旋，恰恰具有我們的計算過程所需的相互作用類型。”

西尼琴說，研究小組希望與洛斯阿拉莫斯的實驗物理學家合作，利用超冷原子展示他們的方法。他說，現代超冷原子技術已經足夠先進，可以用大約40到60個量子比特演示這種計算，這足以解決許多目前經典計算或二進制計算無法解決的問題。量子比特是量子信息的基本單位，類似於我們熟悉的經典計算中的比特。

壽命更長的量子比特

新策略不需要在眾多必須共享量子糾纏的量子比特之間建立一個複雜的邏輯門系統，而是利用一個簡單的磁場來旋轉自然系統中的量子比特，如電子自旋。自旋態的精確演化就是實現該算法所需的全部條件。西尼琴說，這種方法可以用來解決量子計算機所提出的許多實際問題。

量子計算仍是一個新興領域，因為很難將長串邏輯門中的量子比特連接起來，也很難維持計算所需的量子糾纏。當糾纏的量子比特開始與計算機量子系統之外的世界發生相互作用並引入誤差時，糾纏就會在一個稱為退相干的過程中瓦解。這種情況發生得很快，限制了計算時間。量子硬件尚未實現真正的糾錯。

新方法依靠的是自然糾纏而非誘導糾纏，因此需要的量子位之間的連接更少。這就減少了退相干的影響。因此，量子比特的壽命相對較長。

量子算法的進步

洛斯阿拉莫斯團隊的理論論文展示瞭如何利用格羅弗算法比現有量子計算機更快地解決數字分區問題。作為最著名的量子算法之一，格羅弗算法可以對大量數據集進行非結構化搜索，而這些數據集會吞噬傳統的計算資源。西尼琴舉例說，格羅弗算法可用於在兩台計算機之間平均分配任務的運行時間，以便它們同時完成其他實際工作。該算法非常適合理想化的糾錯量子計算機，儘管它很難在當今容易出錯的機器上實現。

抗錯性和簡單性

西尼琴說，量子計算機的計算速度比任何經典設備都要快得多，但迄今為止它們還極難實現。傳統量子計算機實現的是量子電路–用不同的量子比特對進行基本操作的序列。

洛斯阿拉莫斯的理論家們提出了一個有趣的替代方案。西尼琴說：”我們注意到，對於許多著名的計算問題來說，只要有一個具有基本相互作用的量子系統就足夠了，在這個系統中，只有一個量子自旋（可通過兩個量子比特實現）與其他計算量子比特發生相互作用。然後，僅作用於中心自旋的單個磁脈衝就能實現量子格羅弗算法中最複雜的部分。”這種量子操作被稱為”格羅弗神諭”（Grover’s oracle），指向所需的解決方案。

他說：”在這個過程中，計算量子比特之間不需要直接相互作用，與中心自旋之間也不需要隨時間變化的相互作用。他說，一旦中心自旋和量子比特之間的靜態耦合設定好，整個計算過程只需應用簡單的隨時間變化的外部場脈衝來旋轉自旋即可。”

重要的是，該團隊證明了這種操作可以快速完成。研究小組還發現，他們的方法受到拓撲保護。也就是說，即使沒有量子糾錯，它也能抵禦控制場和其他物理參數精度方面的許多誤差。