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量子计算的黄金时代正在到来

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摘要:量子计算的黄金时代正在到来

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5 月 15 日,《快公司》杂志近期刊文称,IBM 近期公布了在量子计算领域的一项重要突破。不过,开发真正的量子计算机仍有许多问题有待解决。

以下为文章全文:

量子计算并不简单。然而 IBM 的研究人员近期宣布,在解决量子计算一个主要问题的过程中,他们已经迈出了重要一步。这就是开发一种更好的方式,检测及修正令人困扰的错误。IBM T.J. 沃森实验室负责人马克·利特(Mark Ritter)在一篇博文中表示:“我认为,我们正在迎来量子计算研究的黄金时代。”而关于全球第一台真正的量子计算机的开发,他的团队“正走在前沿”。

首先,来看看什么是量子计算机。量子计算机利用了微观粒子的特殊行为,来解决传统计算机无法解决,或是耗时太长的问题。例如,实验室中很难研究量子层面的分子间互动,这在传统计算机上也很难模拟,但量子计算机可以胜任这样的工作。

“在药物制造、药物设计、化工设计,以及生物制药等领域,量子模拟很有潜力。”IBM 试验性量子计算集团经理杰瑞·周(Jerry Chow)表示。此外,量子计算机能轻松破解当前使用的最复杂的密码。基于这样的理由,美国国家安全局(NSA)也投入巨资研究量子计算机。

量子计算机引入了大量理论物理和数学的概念。自 90 年代量子计算机出现以来,全球学术机构、政府,以及包括谷歌、微软和洛克希德马丁在内的公司都已对这一技术进行了多年的研究。加拿大一家公司D-Wave 宣称,该公司已经制造出一台量子计算机。不过许多研究人员,包括 IBM 的研究者在内,都对这一计算机是否具备真正的“量子性”提出了质疑。

“量子”是什么

一个经典的二进制比特只有两种状态:“0”和“1”,而量子比特(即“qubit”)可同时存在两种可能的状态,这种新状态被称作“叠加态”。因此,对量子比特的操作可以让许多计算工作并行进行。由两个量子比特构成的系统将可以用 4 个值来运算,而由 3 个量子比特构成的系统可以用 8 个值来运算。

传统计算机根据比特位的确定状态进行运算,因此运算只能依次进行。而量子计算机则有所不同。一个量子比特序列可以同时表达由“0”和“1”构成的所有可能组合,这意味着计算机能同时尝试所有可能的解,以远超传统计算机的速度进行复杂的计算。

不过,量子计算的一个有趣特性是,对量子比特的测量会导致其“坍缩”至一个确定状态,即“0”或“1”,从而失去量子性。量子计算正是通过对整个量子比特序列的测量而得出结果。

许多量子算法都是非确定性的。这些算法可以并行地求出多个解,但只有一个解可以被测量,因此能以某一已知概率得出正确结果。进行多次反复计算将提高求出正确解的概率,但这也削弱了量子计算的速度优势。

IBM 的成绩

大部分研究人员认为,开发实用的量子计算机仍面临着许多困难。在《自然》杂志的一篇论文中,杰瑞·周的团队介绍了如何解决其中一项挑战。他们设计了一种方式,以检测 2x2 超导量子比特点阵的错误。

对任何计算机而言,如果已保存的数据存在错误,那么计算结果必然也是错误的。在使用晶体管制造的传统计算机中,出错的可能性很低。当错误发生时,计算机也可以通过多种纠错机制来自动修正。

量子计算机的情况有很大不同。杰瑞·周表示:“量子比特非常容易出错。它们可能会受热量影响,可能会受环境噪音影响,也可能会受偏离的电磁耦合的影响。”

传统计算机保存的信息只可能出现一种错误,即比特位反转,误将“0”当作“1”,或是误将“1”当作“0”。量子比特除了这样的错误之外,还会发生相位反转。一个量子比特的叠加态,即同时表达“0”和“1”的状态,被标记为“0+1”。相位错误会破坏“0”和“1”之间的相位关系。

杰瑞·周表示:“0+1 和0-1 表达了两种全然不同的信息状态。我们可以将其视为一个球体内的箭头指向。你可以将指向南极视为‘0’,将指向北极视为‘1’,将指向赤道的一侧视为‘0+1’,而将指向赤道的相反一侧视为‘0-1’。而更复杂的一点在于,量子错误的修正机制需要避免直接测量量子数据,否则会导致量子态的坍缩。”

IBM 提出的新的错误检测机制基于一种被称作“代码表面化”的技术。这一技术将量子信息分散在多个量子比特中。两个表征量子比特被配对至两个代码量子比特,或者说数据量子比特。一个表征量子比特用于反映,代码量子比特是否出现了比特位反转的错误,而另一个表征量子比特则用于反映是否发生了相位反转错误。通过这种方式,代码量子比特不会被直接测量。

不过,对于实用的量子计算机的发展,错误修正只是需要解决的多个问题之一。

更多的量子,更多的问题

一名教授已在社交问答网站 Quora 上列举了量子计算所面临的各种困难。其中之一在于相干性。? 量量子比特质量的一个常见指标是相干时间,即量子比特的量子性能维持多久。一台性能健壮、功能完整的量子计算机需要有较长的相干时间。目前距离实现这一目标还很遥远。2014 年,新南威尔士大学的研究人员创造了一项世界纪录,他们创造的两种全新类型量子比特能在 35 秒长的时间里保持量子态。

“为了确保量子纠错技术能够工作,你需要单个量子比特达到一定的质量。”杰瑞·周表示,“为了让这些单个量子比特越来越好,我们在材料科学、设备布局,以及实际处理器开发方面还有大量工作要完成。”

与传统计算机不同,量子计算机并没有标准的材料或架构。量子比特的制造方式多种多样,其中包括离子阱。杰瑞·周团队采用的方法则是将硅材料中的电子打入超导电路。

为了实现较长的相干时间,量子比特需要与外部环境隔离开,通常情况下还需要确保温度低于零度。然而,这样的隔离导致计算机难以得到有效的控制,因为控制意味着量子计算机将与外界环境发生接触。同时实现控制和相干性将带来高昂的成本。

为了制造出相干时间长的量子比特,澳大利亚研究人员利用价值 10 万美元的高频震荡磁场发生器操纵在硅晶体上植入的单个磷原子,并使用简单的电脉冲去改变原子中电子的频率。研究者之一安德里·莫雷洛(Andrea Morello)表示:“因此,我们可以选择去操作哪一量子比特。这就类似于我们通过调节旋钮去选择接收哪一广播电台。这里的旋钮是施加在原子上方微型电极的电压。”

研究者随后还对设计进行了改进,从而控制多个量子比特。上月,该实验室报告了硅晶体制造的最新进展,这将极大地减少硬件开发的时间和成本。

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如何扩大规模

然而到目前为止,在相干时间的限制下,研究者仍只能利用少数几个量子比特进行有限的量子逻辑操作。连接的量子比特越多,量子计算机行为类似传统计算机的可能性就越大。然而,如果不能集成大量的量子比特,一些复杂问题就无法进行求解。

杰瑞·周表示:“为了开发类似当前处理器的量子芯片,我们还需要大量的工程开发,以及对不同材料及这些材料在量子世界中的行为有更多的理解。”

另一个问题在于,量子算法相对于传统计算机求解速度更快的问题类型可能很有限。由于许多量子算法都是非确定性的,因此你需要一定的方式去验证,被测量的结果是否正确。例如,在计算一个大数的质因数时,检查结果很容易。但许多问题的解并不是很容易验证。

即使在问题的解得到验证之后,你可能还需要进行多次同样的计算,从而获得正确的解。这也削弱了量子计算的速度优势。维也纳的一些研究人员正在解决这一问题。他们在计算过程中插入了一些简短的中间计算,而这些计算的答案是已知的。这将帮助用户? 量量子计算的可靠性。其他量子算法则利用了干涉现象,从而提升单次运算获得正确结果的可能性。

IBM 的杰瑞·周对于这些障碍的解决感到乐观,尤其是在制造“逻辑量子比特”方面。逻辑量子比特基于物理量子比特,但不会丢失信息,且错误已得到修正。“许多这类问题将在未来几年内得到解决,这将帮助我们实现逻辑量子比特编码。随后,在这一逻辑层的基础上,我们可以向真正的量子算法迈出一步。”

在此之后,所有计算机用户,无论是科学家、加密专家、数据挖掘专家,还是互联网搜索用户,与量子计算的距离都将更近一步。