量子比特和拼图：追求量子计算。研究量子计算机组件的进展使我们能够更多地以实践方式进行教学。15年前是不可能做到这一点的，Andrea Morello写道。意见：我来自意大利北部一个小村庄的工人阶级家庭，我没有机会成为一个书呓的孩子。我能得到的最好的东西只是一些小乐高玩具。我的父母只是希望我接受某种技术教育，找到一份工作。如果我说我想在大学里学哲学，他们绝对不会答应，即使那是我的生活激情。在某种意义上，我的成长环境促使我选择了我所追求的领域。我一直对科学和理性感兴趣，但毫无疑问，我几乎没有其他选择。但一旦我去了大学，我意识到在基础科学领域还有很多可以发现的东西，而我已经使之成为我的生命使命和激情。近几年，我的研究工作是开发和演示控制纳米尺度物理系统量子行为的新方法。获得这个奖项的动力在于，我的研究项目是世界上第一个证明可以在硅芯片内部的单个原子上完善量子信息的。15年前，当美国研究人员Bruce Kane第一次提出这个概念时，这个概念还是科幻。当这篇论文发表时，每个人都承认这是一个多么奇妙的想法，但问题仍然存在：谁会让它变为现实呢？从工程角度来看，这个任务确实具有挑战性。但Kane所提出的观点是，“经典”计算机行业会朝着类似规模设备的方向发展，以维持基于摩尔定律的商业模式。现在，大约15年后，如果你从商店买一台新电脑，里面的晶体管长度为22nm，这正是Kane设想的基于硅的量子计算机的设备大小。这篇论文中有两个有远见的想法。其一是使用硅和硅中的单个原子作为量子信息的载体。另一个想法是基本上押注于纳米电子行业的发展，最终使研究人员能够轻松地制造这些设备。我们现在制造硅纳米芯片，从某种意义上说，它们是构成电子设备（如您的手机和电脑）的简化版本。但我们设法使这些设备在极低温度下冷却并用超高频率信号辐射，表现出量子行为。我们需要说服我们的量子比特，或称量子比特，不是像经典开关那样只有开或关，而是同时开和关的量子开关。到目前为止，我们已经在电子和最近的硅原子核上编码了量子信息。原子核具有异常长的保存量子状态的能力 - 在超纯硅晶体中长达一个小时。下一步要做的是所谓的量子逻辑操作，即我们采用两个量子位，并根据一个量子位的状态条件地改变另一个量子位的状态（逻辑操作）。任何计算机的正常工作方式都是这样。量子计算机的特殊之处在于，如果在一对量子比特上执行量子逻辑操作，您最终可能产生一个在普通计算机上无法编写的“代码” - 您永远无法在普通计算机上编写这种代码。这些特殊的“量子代码”存在的原因之一是量子计算机可以处理比经典计算机多得多的信息。完成量子计算机架构的最后一个组件是传输这些量子信息并连接物理上不同位置的量子位。这是一个完全的挑战。我所做的研究与多年来开发的一些教学非常密切相关。我从零开始创建了一个名为“量子器件”的课程，实际上是电气工程师的量子力学课程。如前所述，你在一部全新的计算机中找到的晶体管长为22nm，这意味着它们大约有50个原子长。它们非常小 - 比HIV病毒还小 - 这是量子效应真正开始起作用的水平。使这样小的晶体管工作的艺术很大程度上在于尝试保持这一规模的自然游戏规则（即量子规则）不受影响。我坚信，如今对量子物理的了解正变得越来越重要，成为工程师课程的基本部分。15年前我还是学生时，我的量子力学讲师给我所有的数学，并尽力解释它的来龙去脉，但他们很少有机会向我提供它适用的简单例子。量子比特和部件：追寻量子计算
在研究量子计算机组件方面取得的进展使我们能够更加实践性地教授这门学科。15年前这是不可能的，安德烈亚·莫雷洛写道。
观点：我来自一个工薪阶层、小城镇家庭，在意大利北部的一个小村庄长大，我没有真正有机会成为一个书呆子。我能得到的最好的玩具只是一些小颗粒积木。我的父母只是希望我接受某种技术教育并找到一份工作。如果我当时说我想在大学里学习哲学，他们绝对不会让我得逞，即使那是我的生活激情。
从某种意义上说，我成长的社会经济条件推动我走上了现在选择的领域。我一直对科学和理性有兴趣，但说实话，我没有太多其他选择。
但是一旦我上了大学，我意识到在基础科学领域有多少值得探索的东西，我把这变成了我的毕生使命和激情。
在过去几年里，我的工作是开发和展示在纳米尺度控制物理系统的量子行为的新方法。我之所以获得这个奖项的动机是，我的研究项目是世界上第一个证明在硅芯片内部可以制备单个原子的量子信息的项目。
这在15年前是个科幻般的想法，当时首次提出时，大家都认识到这是一个多么棒的想法，但问题依然存在：谁将会把它变成现实？从工程的角度看，这确实是一个巨大的挑战。但凯恩提出的观点是，“经典”计算机行业将继续推进朝这个方向的设备，以便继续基于摩尔定律的商业模式。
现在，大约15年后，如果你从商店买一个新电脑，里面的晶体管长约22纳米，这正是凯恩设想的基于硅的量子计算机的器件尺寸。
所以凯恩的论文中有两点前瞻性的观点。一是利用硅和硅内的单个原子作为量子信息的载体。另一个是基本上押注于纳米电子行业的发展，最终使研究者可以容易地制造这些设备。
我们现在制造硅纳米芯片，在某种意义上，这些设备是手机、电脑等电子产品的组成部件的简化版本。但是我们通过将它们冷却到极低温度并用超高频信号照射，使这些设备表现出量子力学行为。
与其像经典开关那样只能处于打开或关闭状态，我们需要说服我们的量子位或称量子比特，成为一种同时处于打开和关闭状态的量子开关。
到目前为止，我们已经在一个电子和最近在硅原子核上编码了量子信息。原子核是非常特殊的，因为它可以保持其量子状态非常长的时间 - 在超纯度硅晶体中长达一小时。这是美妙的。
接下来我们需要做的是所谓的量子逻辑运算，即我们取两个量子位，并根据另一个量子位的状态更改一个量子位的状态（逻辑操作）。这是任何计算机的正常工作方式。
如果你在手机中打开计算器并让它计算3x5，实际上是在手机内部的一些晶体管之间进行一系列逻辑操作。但是量子计算机的特殊之处在于，如果你在一对量子比特上执行量子逻辑操作，最终会生成一个在常规计算机上无法编写的“代码”。
这些特殊的“量子代码”（也称为纠缠态）的存在是量子计算机可以处理如此多信息的原因之一。
完成量子计算机架构的最终组件是传输这些量子信息并连接物理位置不同的量子位。这是另一个完整的挑战。
我从事的研究与我多年来制定的一些教学非常相关。我从零开始编制了一门名为“量子设备”的课程，这本质上是一门针对电气工程师的量子力学课程。
