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    Google“量子优越性”论文正式发表量子计算到底是什么?

    发布日期:2020-12-10 16:56 计算机论文

      2019 年 10 月 23 日,Nature 正式刊登了 Google 关于“实现量子优越性”的论文——《使用可编程超导处理器的量子优势》。 这篇论文曾在一个月前被泄漏,但很快被删掉了。

      “量子优越性”是指量子计算机可以完成经典计算机(当今流行的计算机)无法做到的事情。 这个概念最早由加州理工学院理论物理教授 John Preskill 在 2012 年提出。

      理论上,只要给足够的时间,经典计算机可以解决任何可计算的问题。因此,“量子优越性”的标准是在同一个计算任务上,量子计算机比经典计算机有显著的(指数)加速。

      Google 的论文显示,他们制造出了 53 个量子比特数的量子计算机,计算能力超经典超级计算机。 同样的计算量,量子计算机用 200 秒就完成了,而目前最强的经典超级计算机,要花费 10000 年才能完成。

      IBM 的研究人员对此有不同看法。 10 月 21 日,IBM 的研究人员发文,质疑了 Google 的实验方法: Google 在估算经典超级计算机需要 10000 年来计算的估算上出了问题,而 IBM 的方法可以让超算在 2.5 天内以更高的保真度完成相同计算任务。 这还是” 保守的、最坏情况的估计 “,其他研究能进一步减少时间。

      不管是 10000 年还是 2.5 天,量子计算机的速度都是远超经典计算机,这背后关键原因是量子并行计算。 解释量子并行计算,要从量子的属性说起。

      “量子”不是具体指某一种粒子,而是量子世界中物质客体的总称,可以是光子、电子、原子、原子核、基本粒子等微观粒子,也可以是宏观尺度下的量子系统,比如“薛定谔猫”。

      在我们的日常经验中,宏观世界物体的物理量和状态在某个时刻总是确定的。 比如,一个灯泡要么是开的,要么是关的,不可能是即开着又关着的。

      但在量子世界里,“即开着又关着的灯泡”是存在的,因为量子具有叠加态。 量子叠加是指,一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。 简言之,就是两种状态叠加在一起。

      “薛定谔的猫”就是解释量子叠加的一个思想实验: 把猫关在一个不透明的箱子里,箱子里有一个装置,可以释放出毒气。 如果不打开箱子去观察(测量),猫就陷于一种死/活的叠加状态。

      除了叠加态,量子还有另一个重要的特性——量子纠缠。 量子纠缠是指,两个粒子即使相隔数光年之遥,也能够具有相互联系的特性。

      1981 年,美国物理学家查德·费曼提出,原则上,人们可以设计一种计算机,该计算机通过量子力学特性来工作,模拟量子系统并采用量子方程得到解。 由于量子系统具有天然的并行处理能力,用它所实现的计算机很可能会远远超越经典计算机。

      经典计算机的信息单位是比特,一般用 “0” 和 “1” 来表示。 一个比特,要么是“0”,要么是“1”。 量子计算机的信息单位是“量子比特”。 上面说到,量子具有叠加态的特性,因此量子比特可以同时处于“0”和“1”的状态。

      由于这种叠加的特性,让量子计算机可以具备了强大的并行计算能力。 在设计量子计算机时,通常会利用量子纠缠的特性,让一个粒子和其他粒子纠缠,进一步提升并行计算能力。 简言之,利用量子叠加和量子纠缠可使计算能力指数级增长。

      制造量子计算机不是件容易的事。 由于量子比特的量子态非常脆弱,打造量子计算机主要困难之一是保持量子态超低温度。 “噪音”的最轻微振动或温度扰动的变化,都可能导致粒子在工作正常完成之前就发生量子行为的衰减,这被称为“退相干(Decoherence)”现象。

      因此量子计算机必须在极度低温条件下工作,以尽力保护量子比特不受外界环境影响。 其次,因为量子比特的不稳定性,量子计算的精度也存在问题,保真度不高。

      不少研究人员都认为,Google 的成果推动量子计算往前走了一大步,但大家都很清楚,量子计算的应用还是非常有限。

      目前,经典计算机仍然是解决大多数问题最简单、最经济的解决方案。 而量子计算机适用于材料科学、药物研究和密码学等领域,有公司已经在试验将其应用于汽车行业和制药业。 此外,机器学习里核心的优化过程与量子计算是天作之合,Google 花这么大力气研发量子计算机也就不奇怪了。


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