2019-09-26 20:25:01
为什么科学家对最近宣称的量子计算里程碑感到如此兴奋

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量子计算机可能会在几分钟内解决问题,而这将是最快的传统超级计算机超过10,000年的时间。 Google研究人员撰写的论文草稿介绍了这项成就,最近几天泄露了该消息,引发了大量新闻报道和猜测。

尽管该研究尚未经过同行评审-该论文的最终版本预计将很快出现-如果全部核对,它将代表“只能在量子处理器上执行的第一个计算”。

这听起来令人印象深刻,但这意味着什么呢?

量子计算:基础

要了解为什么量子计算机如此重要,我们需要回到传统的或数字计算机。

计算机是一种接受输入,执行一系列指令并产生输出的设备。在数字计算机中,这些输入,指令和输出都是1和0(分别称为位)的序列。

量子计算机做同样的事情,但是它使用量子位或量子位。当一个位仅采用两个值(1或0)之一时,一个量子位使用量子力学的复杂数学,提供了更多的可能性。

建造量子计算机需要进行惊人的工程设计。必须将它们隔离以确保没有干扰量子位的微妙量子态。这就是为什么将它们保存在比外层空间包含更少微粒的真空室内,或者将它们保存在比宇宙中任何事物都更冷的冰箱中的原因。

但是同时,您需要一种与量子位进行交互的方法,以对它们进行指令。这种平衡行为的困难意味着量子计算机的规模增长缓慢。

但是,随着量子计算机中连接在一起的量子比特数量的增加,模仿其在数字计算机中的行为将变得越来越复杂。将单个量子位添加到量子计算机可能会使数字计算机执行等效计算所需的时间增加一倍。

到您获得53量子位(即Google研究人员使用的Sycamore芯片中的数量)时,量子计算机可以快速执行计算,这将使我们最大的数字计算机(超级计算集群)成千上万年。

什么是量子霸权?

量子计算机在所有方面都不会比数字计算机快。我们知道,他们将擅长分解大量数据(这对在线安全性而言是个坏消息),并且能够模拟某些物理系统(例如复杂分子)(对医学研究而言是个好消息)。但是在许多情况下,它们将没有优势,研究人员仍在精确地计算出它们可以加快哪种计算速度以及提高多少速度。

量子至上是一个假设点的名称,在该假设点上,量子计算机可以执行计算,而没有想到的数字计算机可以在合理的时间内执行。

尽管乍看之下,计算本身并不令人鼓舞,但Google研究人员现在似乎已经进行了这种计算。

任务是在量子计算机上执行一系列随机指令,然后输出查看其量子位的结果。对于足够多的指令,很难用数字计算机来模仿。

有用的量子计算机仍然遥遥无期

量子至上的概念之所以受欢迎,是因为它是一个易于掌握的里程碑,它是量子计算研究竞争激烈的领域中的一种宝贵货币。

Google的成就在技术上令人印象深刻,因为它需要在53量子位芯片上具有完全的可编程性。但是执行的任务是专门设计来证明量子至上的,仅此而已。尚不知道这种设备是否可以执行数字计算机也无法执行的任何其他计算。换句话说,这并不表示量子计算的到来。

可用的通用量子计算机将需要更大。而不是53量子位,它将需要数百万。 (严格来说,这将需要成千上万个几乎没有错误的量子位,但是产生这些量子位将涉及数百万个像谷歌设备中那样的嘈杂的量子位。)

无处不在的量子计算还远远不够,以至于无法预测何时将要发生什么以及它将最终用于什么有用的任务,这使人尴尬,因为历史告诉我们随着无法使用新工具,无法预料的应用将会蓬勃发展。

科学的新工具

从科学的角度来看,量子计算的未来现在更加令人兴奋。

一方面,量子计算正面临着挑战。早期数字计算机的输出可以通过手工计算来验证,同样,量子计算机的输出至今仍可以通过数字计算机进行验证。

这已不再是这种情况。但这很好,因为现在这些新设备为我们提供了新的科学工具。仅运行这些设备就会产生我们在自然界中从未遇到过的奇异物理。在这种新的状态下模拟量子物理学可以提供对科学所有领域的新见解,从对生物学过程的更详细的理解一直到探究量子物理学对时空的可能影响。

量子计算代表着目前正在发生的根本变化。最令人兴奋的不是我们今天使用量子计算机可以做什么,而是明天它将揭示的未发现的真相。

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