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揭开量子计算的神秘面纱

时间:2019-09-02 作者:Carolyn Mathas 阅读:
量子计算机在处理具有大量输入的数字或数据时表现极为出众。它们专门设计用来解决超级计算机可能好几天也无法解决的复杂问题。量子计算机可以通过电子或质子的形式来仿真宇宙中的亚原子粒子。量子计算典范正处于起步阶段,它注定将对我们掌握化学、生物学和物理学产生重大影响。

在经典计算中,不确定性不可接受。然而,对量子计算机来说,不确定性却是它的优势。量子计算机天生具有了解世界的能力,可通过概率统计的方法探索多种答案,从而生成复杂决策。

什么是量子计算?

量子计算机在处理具有大量输入的数字或数据时表现极为出众。它们专门设计用来解决超级计算机可能好几天也无法解决的复杂问题。量子计算机可以通过电子或质子的形式来仿真宇宙中的亚原子粒子。量子计算典范正处于起步阶段,它注定将对我们掌握化学、生物学和物理学产生重大影响。

有趣的是,通常量子计算机并不一定比经典计算机更快,它们只是对特定类型的计算处理更快。或许并不是每项运算都比较快,但使用特定算法得出结果所需的运算次数呈指数级减小。

量子计算如何工作:基础篇

我们已习惯了基于处理器、使用晶体管进行计算的二进制计算机,其开、关、1、0等状态完全可预测。然而,量子计算机完全改变了这一游戏规则。在这个领域,经典系统中以0和1的处理和存储被量子比特(qubit)所取代——它们作为量子信息的基本构建块,体现了双态量子力学系统。这些量子比特的强大之处在于其与生俱来的指数级扩展能力,因此,双量子比特计算机可同时执行4次计算,3量子比特计算机可实现8次,而4量子比特计算机可执行16次同步计算。

量子计算的基本属性是叠加(superposition)、纠缠(entanglement)和干涉(interference)。

叠加是量子系统同时处于多种状态的能力。叠加可以用丢硬币来比喻:硬币落地后或为正面或为反面——和传统二进制的概念相当。然而,当硬币在半空时,它既是正面又是反面,直到它落地后,才知道它到底是哪一面。在测量之前,电子都以量子叠加态而存在。

纠缠是量子的一个属性,它通过将对象永久纠缠在一起而实现对象的连接。如果向量子计算机添加额外的量子比特,一个50量子比特的量子计算机可以同时检查2的50次方种状态。这种能力的增强加上量子比特纠缠,就可使量子计算机更有效地解决问题,以更少的计算次数更快地进行求解。

干涉可用于控制量子态,并放大引起正确答案的信号,同时删除引起错误答案的信号。

相干/去相干(Coherence/decoherence):量子计算机对噪声和环境影响极为敏感。遗憾的是,信息保持为量子也只有那么短的时间。因此,在信息丢失之前可执行的运算次数是有限的。提前了解量子信息在退出相干态之前能持续多久至关重要。

量子芯片必须保持在比外太空更冷的环境中,以便尽可能长时间地创造量子比特的叠加和纠缠。与稀释制冷机内的量子比特通信,是采用校准微波脉冲实现的,从而使量子比特进入叠加态,或者在两个量子比特之间施加微波脉冲,而将量子比特的状态从0转到1。微波信号也可以产生量子纠缠。为了求得问题的解,量子计算机将问题的一部分编码为复杂的量子态,然后对其控制,以使其更接近于解——但是要经过多次运算才能获得最佳解。

量子计算机提供的答案以概率的形式呈现。当问题重复时,答案可能不同。问题重复的次数越多,结果越接近于理论百分比或正确答案。这要求将代码设计成量子比特对于给定的问题能处于正确状态。量子代码使用波状属性来抵消错误答案并放大正确答案。

应用

随着技术的发展,从化学和材料科学到核物理和机器学习,量子计算有望帮助许多领域获得重大进展。其主要应用包括:

• 机器学习

• 超催化剂设计

• 医学

• 化学

• 气候变化/地球科学

• 电池化学

• 材料科学

• 工程学

• 人工智能

• 信息安全

• 仿生学

• 能源

• 光伏

• 金融服务

• 供应链和物流

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 图1:三种已知类型的量子计算及其应用、通用性和计算能力。(图片来源:IBM Research的Carl Torres)

动手开始量子计算

那么,如何开始量子计算?根据IBM特聘研究员、IBM Research量子计算软件高级经理Marco Pistola博士所述,“工程师应首先熟悉量子计算的基本原理,例如叠加和纠缠的概念。”

网上开始出现很多通过云服务提供的在线课程,包括一些免费的课程。无论用户是想要利用这项技术来成就未来职业生涯,还是只是对它的功能感到好奇,都可以参与其中并尝试使用该技术。尽管目前只是该技术发展的早期阶段,但已经可以在全球范围内接触到了。我们可以从以下所提入手。

IBM

“为了让科学家、工程师甚至学生更容易接触到量子计算,IBM推出了基于云的公共IBM Q体验和开源Qiskit平台,借此可以访问真正的量子硬件。量子程序可以用Python编写。”Pistoia博士表示,“到目前为止,已有超过145,000名用户在IBM Q Experience系统上运行了超过1000万次实验,并发布了170多篇相关研究论文。这种广泛的全球性互动在当前所谓的嘈杂中型量子(NISQ)时代至关重要,在此,从业者已经可以在量子计算机上进行实验并学习量子计算编程模型。”别担心自己只是个初学者——在众多的用户指南中,总有一个适合初学者。

D-Wave

D-Wave Systems公司致力于量子退火架构而非通用的超导技术。D-Wave开发的Leap平台让任何人都可注册其基于云连接的2000Q量子计算机并每月免费访问一分钟。由于量子计算可以在几毫秒内解决问题,包括质因数分解、优化路径或计算分子结构,因此一分钟已是很充足的一段时间了。

Rigetti Computing 

Rigetti的Forest SDK是一个轻量级、可下载的SDK,它包含一个功能强大的量子虚拟机(QVM)并可在本地计算机上运行。这是开始量子编程的极佳方法,让用户能够以不到10行的代码创建量子纠缠。点击这里可以访问各种资源。

量子计算的最新进展

大量新闻报道在不断证明量子计算领域的快速发展。量子反对者们正随时准备出击,量子支持者们也正在加入浪潮;尽管量子计算还不能实现任何在经典计算机上无法完成的计算,但风投机构却自然而然地在进行投资。

相关公司已经表明谁是量子计算的业界大佬。IBM、谷歌、英特尔、微软、D-Wave Systems和Rigetti Computing仅代表了少数几家,这个行业同时也欢迎初创公司。

D-Wave Systems为需要根据高水平推理制定决策的应用提供了独特的量子退火算法。他们的解决方案专注于优化,可获取最低能耗的解决方案。D-Wave最近公布了他们的最低“噪声”的Pegasus平台,还提供了实时在线量子计算环境Leap。Leap是D-Wave Quantum云服务的最新成员,可为几乎任何人提供虚拟化量子计算,只要其拥有计算机和宽带连接。

英特尔并非最早投入这一领域,但已在此取得了长足进步。其最近的两个成果包括Tangle Lake 49量子比特超导量子计算芯片和一款完整的测试晶圆,后者每个测试芯片包含高达26个量子比特,依靠单独电子自旋工作,目前正由荷兰代尔夫特理工大学测试。

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图2:IBM Q System One。(图片来源:IBM)

今年早些时候,IBM宣布推出业界首套商用系统,Q System One,仅供IBM Q Network组织使用。IBM Q通过基于云的IBM Q Experience和供商业和科学应用的商用IBM Q Network平台,引入了可编程通用量子计算。该公司声称其Q System One是量子计算朝向稳定性和商业研究迈出的一大步。它还与埃克森美孚合作开发网络而用于预测气候模型和电网管理。

谷歌继推出其基于云的72量子比特Bristlecone量子处理器以及用于在量子计算机上运行算法的开源框架Cirq之后,紧接着又发布了一个专门解决化学问题的量子算法开发平台OpenFermion,以及将量子仿真算法编译成Cirq的开源库OpenFermion-Cirq。谷歌宣称,Bristlecone将很快实现量子霸权,届时其量子设备将可以完成经典超级计算机无法适时完成的任务。

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图3:低温环境中的量子计算机芯片。(图片来源:Rigetti Computing;摄影:Justin Fantl)

Rigetti Computing新推出的量子云服务(QCS)包括一款用于在云端进行量子编程的软件工具包Forest。Rigetti还公布了其号称为世界上最强大的量子处理器,这款128量子比特的机型比谷歌的72量子比特Bristlecone芯片更高一筹。一开始,QCS用户仅限于使用16量子比特芯片,服务对象也仅限于Rigetti的一些客户和合作伙伴,更广泛的服务将于2019年晚些时候推出。该处理器使量子算法在其QCS上运行的速率比在其目前的云设置上提高了20至50倍,不久之后还会加速。Rigetti还声称发现了一个甜蜜点(Sweet Spot),在此,量子比特对噪声不敏感,可以以高达99.2%的保真度操作二量子比特门。

超越霸权

尽管量子计算机描绘的蓝图令人兴奋,但有人认为真正意义上的量子计算机可能还需要几十年的时间才会出现。然而,世界发展太快,那一天有可能更快到来。摩尔定律不适用于量子计算。相反,量子计算机遵循的量子物理定律与摩尔领域相去甚远,这也许会给我们带来加速发展的提示。根据Kevin Hartnett最近在Quanta Magazine杂志上发表的一篇文章,谷歌量子人工智能实验室主任Hartmut Neven首创了Neven定律,称量子计算机正以相对于经典计算机“双重指数级”的速率提升计算能力——这个速度非常惊人。Neven称,这就好似有一段时间什么都没发生,然后突然间就进入了一个完全不同的世界。

从了解宇宙大爆炸,到为各行各业提供数字处理,量子计算将继续以惊人的速度发展。去接触并了解它,现在正是时候。

(作者:Carolyn Mathas,多家电子出版物和公司的自由撰稿人/编辑)

本文为《电子技术设计》2019年9月刊杂志文章。

 

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