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现阶段,量子计算机是否可击败传统计算机?

作者: Jansfer

时间: 2019-09-25 18:39

近日,一篇意外泄露的论文或将开启量子计算时代。根据一篇发表在实验室网站上的论文(可能是意外发布),谷歌的物理学家使用量子计算机进行了一项计算,这项计算远超目前世界上最好的传统超级计算机的运算能力。尽管详尽计算的应用尚未可知,但这一结果意味着科学家们已经实现了一个重要的里程碑——“量子霸权”。

近日,一篇意外泄露的论文或将开启量子计算时代。根据一篇发表在实验室网站上的论文(可能是意外发布),谷歌的物理学家使用量子计算机进行了一项计算,这项计算远超目前世界上最好的传统超级计算机的运算能力。尽管详尽计算的应用尚未可知,但这一结果意味着科学家们已经实现了一个重要的里程碑——“量子霸权”。

“这是一项伟大的科学成就。”查德·里格蒂(Chad Rigetti)说,他是旧金山里格蒂计算公司(Rigetti Computing)的创始人兼首席执行官,该公司正在开发自己的量子计算机。他指出,公司在几年前就详细说明了将如何展示量子霸权。加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)的数学家格雷格·库伯伯格(Greg Kuperberg)称这一进展“进一步击破了量子计算机是不可制造的传言”。

据英国《金融时报》报道,这篇论文上周发表在美国宇航局(NASA)位于加州莫菲特场的艾姆斯研究中心(Ames Research Center)的网站上,该中心的一些研究人员也是这篇论文的作者。读者们在手稿消失前下载了手稿,并发布在网络上。在加州圣巴巴拉市领导谷歌量子计算工作的物理学家约翰·马丁尼斯(John Martinis)拒绝对该论文发表评论,但该领域的其他人认为这是合法的。

量子计算机旨在利用量子力学的奇特之处来进行一些传统计算机无法完成的计算。传统计算机依赖于可以设置为0或1的“位”信息,而量子计算机使用量子位,量子位可以设置为0、1,或者(由量子力学特性)同时设置为0和1的任意组合。这使得量子计算机能够同时进行大量地输入。例如,一个10量子位量子计算机可以一次处理210(1024)个可能的输入数据,而不是边输入边分析。

但是这样一台计算机的真正实力来自于其他量子现象。对于某些计算问题,所有可能的解都可以看作是同时在量子比特之间晃动的量子波。在一定条件下这些波会互相干涉,这样错误的答案就会互相抵消,正确的答案就会显现出来。这样的干涉能使一台成熟的量子计算机通过分解隐藏在背后的大量数字来破解当前互联网的加密方案(《科学》,8月23日,第730页)。

这一壮举需要数千个量子比特,因此马丁尼斯和他的同事们提出了一个观点:一个只有几十个量子比特的量子计算机可以胜过任何传统的竞争对手。其设备中的53位量子比特由超导金属的微小电路组成,这些电路可以同时处于低能状态表示0,高能状态表示1。然后,研究人员通过一系列固定但随机的操作,使成对的量子比特以各种方式相互作用。

量子比特作为一个数字生成器,输出0到253之间的任何数字。由于这些操作引起的量子干涉,一些数字应该比其他数字出现得更频繁。随着量子比特数量的增加,计算输出的不均匀分布对一台普通计算机来说将变得极其困难。因此,如果实验人员看到输出数字的不等信号,那么他们就有证据表明他们的量子设备计算出了传统计算机无法计算的结果。

与任何量子计算工作一样,关键是在整个过程中保持量子比特微妙的量子状态。如果它们变得模糊不清,那么所有的输出都是等概率的。但是谷歌团队报告说,他们设法在生成的数字中发现了信号。为了证明这种信号不仅仅是噪音,他们将较小试验和量子比特子集的结果与超级计算机模拟结果进行了比较。但是在计算量最大的试验中他们不能与传统计算机进行对比,因为量子计算机在3分钟多一点的时间里所能做的事情,超级计算机需要1万年才能做到

一些研究人员说,这个演示与其说是一种计算,不如说是一种尝试,创造一种难以模拟的量子状态。IBM的研究主管达里奥•吉尔(Dario Gil)表示:“量子计算机并没有‘超越’传统计算机,因为实验室实验的本质上是在没有实际应用的情况下实现了一种非常具体的量子采样程序。”

并且Google计算机还缺乏纠正错误的能力,而这可能是能否制造一台完整量子计算机的关键。这就需要把一个更稳定的“逻辑”量子位编码成几个不那么可靠的“物理”量子位,从而使机器能够更长时间地保持量子状态,库伯伯格解释说。

吉尔又提出了另一个担忧:在经历量子霸权的过度炒作之后,量子计算可能并不能马上达到人们的预期而使人们失望,就像从上世纪70年代人工智能领域的那次一样,直到最近十年,科技终于赶上了人们的期望。然而,谷歌的研究人员对此似乎很乐观。在泄露的论文中,这76位作者总结道:“我们离有价值的应用程序只有一步之遥。”

参考:https://www.sciencemag.org/news/2019/09/quantum-computer-bests-all-conventional-computers-first-claim-supremacy

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