我们会很快迎来量子计算的时代吗?

光纤在线编辑部  2020-03-24 15:43:43  文章来源:自我撰写  版权所有,未经书面许可严禁转载.

导读:2019年10月24日,自然杂志用封面故事的形式介绍了谷歌量子计算机的成果。这台名叫Sycamore的计算机采用了53个超导量子比特(qubits),实现了传统计算机无法望其项背的计算能力。Sycamore的建设者是物理学家John Martinis领导下的一个科研团队。他们认为,Sycamore在3分钟能做到的,IBM的超级电脑Summit至少要1万年才能做到。是不是很神奇?

3/24/2020,光纤在线讯, 今年的OFC上,日本NTT的高级研究员武居弘樹(Hiroki Takesue)发表了关于所谓的量子退火机的演讲。这是一种基于光学技术的全新的量子计算机,具有超强的计算能力,特别适用于寻找最佳的组合解,对于未来的人工智能等应用具有重要意义。这篇演讲让编辑对量子计算这个新兴事物产生了浓厚的兴趣。3月号的OSA Optics&Photonics杂志刊载了科学记者Edwin Cartidge的文章“最高级的还是不可证明的”,探讨这一领域的最新进展。

2019年10月24日,自然杂志用封面故事的形式介绍了谷歌量子计算机的成果。这台名叫Sycamore的计算机采用了53个超导量子比特(qubits),实现了传统计算机无法望其项背的计算能力。Sycamore的建设者是物理学家John Martinis领导下的一个科研团队。他们认为,Sycamore在3分钟能做到的,IBM的超级电脑Summit至少要1万年才能做到。是不是很神奇?

过去三十多年来,世界各国在量子计算机上的投入已经有几亿美元。实现量子计算机实用化的关键在于避免量子超叠加态被哪怕最小的噪声干扰,比如温度或者电场的波动。加州大学戴维斯分校的数学家Greg Kuperberg指出,谷歌量子计算机的出现,打破了量子计算机无法实现的说法,证明了科学家可以实现对干扰量子态的噪声实现控制。当然,反对声也有。IBM的科学家就认为他们的超级计算机也能做到Sycamore能做到的(他们发表在arXiv上一篇文章说谷歌低估了Summit的潜力,如果调动起全部磁盘空间,Summit只要2.5天就可以完成同样的工作,但是IBM并没有实际这样做)。科罗拉多大学的理论物理学家Graeme Smith认为谷歌Sycamore内部的噪声会导致系统只能运作很短的周期数。他认为传统计算机可以用不同的算法来避免计算53个qubit的波函数。同样研究量子计算机的荷兰Delft科技大学Lieven Vandersypen指出,Sycamore的价值更在于技术自身。人类离实用化的量子计算还远得很。

量子计算机之所以神奇,来自于量子世界的神奇特性。不同于传统计算机的顺序处理过程,量子计算机是真正的并行计算。在量子世界里,每个Qubit都是“0”和“1”的叠加态,而不是单纯的“0”或者“1”。如果有N个qubit,就有2的N次方个状态,每个有不同的幅度。通过施加合适的量子算法,系统的波函数会按预定的设想演化,导致每一步都会产生幅度变化。通过测量每个qubit的值,波函数坍塌,产生结果。

不同于此前在2017年时马里兰大学的Chritoper Monroe团队和哈佛大学的Mikhail Lukin团队基于激光脉冲电捕获离子或激光激发中性原子作为qubit来研究磁相转变的研究只能完成特定的任务,这些装置更加类似于传统模拟计算器。谷歌的Sycamore是一种可编程的数字机器,通过一系列不同的逻辑门(量子位和相邻的耦合器),Sycamore原则上可以执行多种量子算法。

作为Sycamore的核心,qubit是一个神奇的存在。实现qubit的可以是超导电路,可以是电子自旋,被捕获的原子或者离子,也可以是光子。前面提到的荷兰的Vandersypen就同Intel公司合作,在Intel的超净间里,基于量子点来实现qubit。用被捕获的离子做qubit,马里兰大学的Monroe教授已经和Duke大学的Jungsang Kim共同创办了一家名为IonQ的公司来实现商业化。用光子来做qubit,好处是不怕噪声,缺点则是难以操作。这个领域也有两家初创公司,一家是加州的PsiQuantum,致力于打造含有1百万qubit的量子计算芯片。另一家公司是加拿大的Xanadu,同样致力于打造量子芯片。在打造量子计算机的硬件的同时,软件或者算法的实现是另一个难点。

1980年代,诺贝尔物理奖得主,美国科学家Richard Feynman曾经预测量子计算机将来可以帮助科学家设计新材料,发展新药物。这一理想始终激励着一代代科学家向此目标去努力。虽然关于量子计算和传统计算技术的争论仍然在继续,谁胜谁负现在还很难说。但是编辑还是喜欢Greg Kuperberg的观点:“如同旧约中的故事少年David打败巨人Goliah,这里量子计算机是少年David,而传统计算机是巨人Goliah。”
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