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量子运算时代真的来了!

时间:2019-10-30 作者:Maurizio Di Paolo Emilio,EEWeb主编、EE Times/EDN技术编辑 阅读:
Google的科学家证明,以量子处理器能解决传统计算机可能要花费好几年时间才能解决的运算问题...

现在我们或者可以说,量子计算机已经成真。最近Google在《Nature》期刊发表了量子运算研发上的新成果,开启了一个全新的运算时代。Google的科学家证明以量子处理器能解决传统计算机可能要花费好几年时间才能解决的运算问题。而到目前为止,还没有人能以长时间维持量子相干性(quantum coherence)。

量子计算机的运作原理与传统计算机大相径庭:经典的位是1或0,但是量子位(qubit)可能同时以更多状态存在。一个由美国加州大学圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)实验物理学家John Martinis以及Google领军的研究团队表示,他们开发的量子计算机已经能在特定运算上,达到一般计算机无法实现的性能──若以典型最佳性能超级计算机来执行相同的运算量,可能需要1万年的时间才能完成。

表征量子位的基础特性与所谓的干涉(interference)有关;还有一个重要的特性是关于量子位被纠缠/缠结(entangled/intertwined)而导致深度关联的可能性。简而言之,这意味着量子运算能够以前所未见的速度进行运算。

科学家与工程师们长时间以来都在研究如何控制量子位,而要利用其特性并因此维持量子相干性,会需要高效率的热管理系统。此外,量子位必须要被隔离在特定的实验室条件下,否则就会崩溃。到目前为止,超导体──能在零度以下运作良好的金属──被应用,包括IBM与Google都实现了以绝缘体隔开、由两股超导体组成的约瑟夫接面(Josephson junctions);还有其他例如Microsoft押注的拓扑量子计算机(topological quantum computing)。

Google在实验中执行的运算案例是控制量子随机数生成器的输出,尽管是一个有局限性的例子,仍代表了在科学上的重大成果。在美国太空总署(NASA)的网站上也发布了Google的实验成果;NASA是Google在量子运算研究上的合作伙伴。

针对Google所达成的「量子优越性」(quantum supremacy),澳洲悉尼新南韦尔斯大学(University of New South Wales)的量子物理学家Michelle Simmons表示:「看来Google让我们看到第一个能在现实世界系统中证实量子指令周期的例子。」

Google的算法是在54量子位的量子芯片中执行,这种芯片以超导体回路组成;一般来说,以运算为用途的机器会需要上百万的量子位,因此这样的数字只是一小部分。

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Google研发的量子计算机。(来源:Google)

主要的解决方案测试,是比较来自不同一般计算机──包括美国田纳西州橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的Summit超级计算机──所执行的运算模型;Google的团队评估,就算内含上百万处理单元的一般计算机,若执行相同的运算任务会需要1万年时间,然而量子计算机只花了3分20秒就完成。

接下来研究团队要进行的是量子计算机优化,以执行更复杂的任务;物理学家认为,这对于实现大规模量子计算机非常重要。Google也努力推动更进一步的技术进展,以证明量子运算的超级性能,甚至是能发挥于未来的商用市场。

若有一天能实现通用的量子计算机,将会对研究领域以及我们的社会带来根本性的冲击;量子运算与人工智能有可能催生我们前所未见的事物。

(原文发表于ASPENCORE旗下EDNAsia,参考链接: Quantum Computing is now!,编译:Judith Cheng)

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