Google“量子优越性”论文正式发表,量子计算到底是什么?


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2019年10月23日,《自然》杂志正式发表了Google关于“实施量子优势”的论文 《使用可编程超导处理器的量子优势》。该论文一个月前被泄露,但很快被删除。

“量子优势”是指一种量子计算机,它可以完成传统计算机(当今流行的计算机)无法完成的工作。这个概念最早是由加利福尼亚理工学院理论物理学教授约翰普雷斯基尔(John Preskill)于2012年提出的。

理论上,只要您有足够的时间,经典计算机就可以解决任何可计算的问题。因此,“量子优势”的标准是,量子计算机在同一计算任务上具有显着(指数)加速。

Google的论文表明,他们已经创建了53台具有出色计算能力的量子比特量子计算机。以相同的计算量,量子计算机将在200秒内完成,而目前功能最强大的经典超级计算机需要数年才能完成。

小发猫研究人员对此有不同的看法。 10月21日,小发猫研究人员就Google的实验方法提出了一个问题:Google在估算经典超级计算机多年来需要计算的估算值时遇到了问题,小发猫的方法使超级计算在2.5天之内变得更好。真理完成了相同的计算任务。这仍然是“保守的,最坏情况的估计”,其他研究可以进一步减少时间。

无论是一年还是2.5天,量子计算机都比经典计算机快得多。其背后的关键原因是量子并行计算。从量子的性质开始,解释量子并行计算。

“量子”不是特定的粒子,而是量子世界中物质对象的通用术语。它可以是微观粒子,例如光子,电子,原子,核或基本粒子,或者是宏观尺度上的量子系统。例如,“薛定ding猫”。

根据我们的日常经验,宏观世界物体的物理量和状态总是在某个时刻确定的。例如,灯泡是打开的还是关闭的,而不能打开和关闭。

但是在量子世界中,由于量子具有叠加状态,因此存在“打开和关闭的灯泡”。量子叠加是指一个量子系统可以处于不同量子态的叠加状态。简而言之,两个状态是叠加的。

“薛定ding的猫”是解释量子叠加的实验性实验:猫被释放装置释放的气体锁定在不透明的盒子中。如果不打开盒子进行观察(测量),则猫会陷入死/活的叠加状态。

除叠加态外,量子还有另一个重要的特征量子纠缠。量子纠缠意味着即使两个粒子相隔数光年,它们也可以具有相互连接的特性。

(第一张量子纠缠的图片)

1981年,美国物理学家查德费曼(Chad Feynman)提出,原则上可以设计一种计算机,该计算机可以处理量子力学特性,模拟量子系统并使用量子方程来获得解。由于量子系统具有自然的并行处理能力,因此使用它们实现的计算机可能会远远超出传统计算机的范围。

经典计算机的信息单位是一点,通常用“ 0”和“ 1”表示。一位,“ 0”或“ 1”。量子计算机中的信息单位是“量子位”。如上所述,量子具有叠加的性质,因此量子位可以同时处于“ 0”和“ 1”的状态。

有人做了一个比喻:经典位是一个“开关”,只有两个状态(0和1)处于打开和关闭状态,而量子位是一个“旋钮”,就像收音机上的旋钮一样,无限多的地位。古典计算机通过操纵古典位来操作,而量子计算机则操纵量子位,实质上是旋转它们。

(来自原始量子的图像)

由于这种叠加,量子计算机可以具有强大的并行计算功能。在设计量子计算机时,通常使用量子纠缠特性将一个粒子与其他粒子纠缠在一起,从而进一步提高了并行计算能力。简而言之,量子叠加和量子纠缠的使用可以成倍地增加计算能力。

制造量子计算机并非易事。由于量子位的量子态非常脆弱,因此构建量子计算机的主要困难之一是保持量子态的超低温。 “噪声”的最小振动或温度扰动的变化都可能导致量子行为在粒子正确完成之前衰减。这被称为“退相干”现象。

因此,量子计算机必须在极低的温度下运行,以尝试保护量子比特免受外部环境的影响。其次,由于量子位的不稳定性,量子计算的准确性也存在问题,并且保真度不高。

许多研究人员认为,谷歌的研究成果推动了量子计算向前迈进了一大步,但众所周知,量子计算的应用仍然非常有限。

目前,经典计算机仍然是大多数问题的最简单,最经济的解决方案。量子计算机用于材料科学,制药研究和密码学,并且公司已经在汽车和制药行业进行了实验。此外,机器学习中的核心优化过程和量子计算是很自然的选择。毫不奇怪,Google投入了大量精力来开发量子计算机。