量子计算是真的吗?

为了开发超微型,超强大的计算机,研究人员一直致力于量子系统超过十年。尽管围绕量子计算仍然有很多令人兴奋的事情,但是重大障碍阻碍了一些人质疑量子计算是否会脱离实验室。

为了开发超微型,超强大的计算机,研究人员一直致力于量子系统超过十年。尽管围绕量子计算仍然有很多令人兴奋的事情,但是重大障碍阻碍了一些人质疑量子计算是否会脱离实验室。

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首先,什么是 量子计算 ?一个简单的定义是量子计算机使用量子位(或量子位)来编码信息。但是,与使用零或一的位的基于硅的计算机不同,量子位可以同时以多种状态存在。换句话说,量子位是尚未决定是零还是一的信息位。

从理论上讲,这意味着量子系统可以同时进行计算处理。本质上,是真正的并行系统。

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弗吉尼亚大学实验原子,分子和光学物理学教授奥利维尔·普菲斯特(Olivier Pfister)说,量子算法可以使计算速度呈指数级增长,这对于数据库搜索,模式识别,解决复杂的数学问题和破解加密协议很有用。

菲斯特补充说:“但是取得成功的障碍很多。”首先是可伸缩性-如何构建具有大量qubit的系统。第二个问题更令人烦恼-如何克服“退相干”,即量子位与环境相互作用时发生的量子态随机变化。

第一个障碍很明显:量子系统是微观的。挑战在于要获得超过数千个原子的原子级的精确控制水平。迄今为止,这仅达到了10个原子的数量级。

普菲斯特说:“我在光场上的工作已证明可以很好地控制60个量子比特等效物,我们称之为'Qmodes',并且有可能扩展到数千个Qmodes。” “每个Qmode是电磁场的一个明确指定的颜色,但是要开发量子计算机,需要将近数百到数千个Qmode。”

退相干是一个更加棘手的问题。不列颠哥伦比亚大学太平洋理论物理,物理与天文学研究所所长菲利普·斯坦普教授说:“除非我们学习如何控制退相干,否则世界上所有的算法或专利都不会生产出量子计算机。” 。

在量子研究的早期,计算机科学家使用经典的纠错方法来尝试减轻退相干的影响,但斯坦普说,这些方法最终不适用于量子世界。 “对于纠错作为解决退相干问题的灵丹妙药的强烈主张需要重新评估。”

根据Stamp的说法,世界各地正在进行许多实验,研究人员声称他们已经构建了量子信息处理设备,但是当提出有关多量子位系统去相干性的难题时,许多这样的说法就消失了。

到目前为止,最复杂的量子计算已在“离子陷阱”系统中执行,最多有8个纠缠的量子比特。但是物理学家认为,该领域的长远未来取决于固态计算。也就是说,在由固态电子设备(或外观和感觉更像常规微处理器的全电子设备)制成的处理器中,与原子粒子相反。到目前为止,使用固态量子位是不可能的,因为这些量子位仅持续约一纳秒。现在,这些量子位可以持续一微秒(长一千倍),足以运行简单的算法。

量子争议

温哥华的D-Wave Systems公司的一组研究人员最近在《自然国际周刊》的科学杂志上发表了最新的结果,显示磁性分子量子位的去相干性非常低。 D-Wave执行了一种称为量子退火的技术,该技术可以为量子处理器提供计算模型。

伯明翰大学的博士Suzanne Gildert博士,实验物理学家,量子计算机程序员(目前在D-Wave Systems工作)说,利用量子退火,去相干不是问题。

根据Gildert的说法,D-Wave使用自然量子计算(NQC)来构建其量子计算机,这与传统上提出的方案非常不同。 “一些量子计算方案试图从诸如逻辑运算之类的常规计算中汲取思想,并使其成为'量子'版本,这是非常困难的。制作'量子'版本的计算运算是一个非常微妙的过程。这就像试图保持一个将铅笔放在木块的末端,然后移动木块以平衡整个物体,这几乎是不可能的,您必须不断地努力将铅笔(即qubit)保持在铅笔掉下来会发生退相干。”吉尔德(Gildert)说。

“在我们的NQC方法中,该方法更具可伸缩性和耐用性,我们让铅笔平放在木头上,然后移动它。我们正在通过允许铅笔随意滚动来进行计算,而不是要求它保持不寻常的状态,因此我们不会遇到信息“解耦”的相同问题,因为我们试图使系统处于自然状态的状态(这就是我们称之为自然质量控制的原因) 。”

但是Gartner研究公司副总裁兼半导体和电子产品研究副总裁Jim Tully说D-Wave所做的并不是真正的量子计算。

Tully说:“ D-Wave Systems已经证明了量子计算的一个子类,它称为量子退火,它涉及叠加,但不涉及纠缠并且不涉及;因此,是'真正的'量子计算。量子退火可能对于优化目的有用,特别是对于非常快速地找到数据集中的数学最小值的目的。”

关于D-Wave的方法是否是纯量子计算,可能存在一些争议,但洛克希德·马丁(Lockheed Martin)是一个信徒。洛克希德·马丁公司拥有一个称为D-Wave One的量子计算系统,一个128量子比特的处理器以及周围的系统(冷却设备,屏蔽室等)。洛克希德公司正在研究一个称为验证和确认的问题,以开发工具来帮助预测复杂系统的行为。例如,检测系统中是否存在错误,这些错误可能导致设备出现故障。

通信信息系统总监Keith Mordoff&洛克希德·马丁公司全球解决方案负责人说:“是的,我们有一个功能齐全的量子计算机,具有56量子比特,这与经典方法不同。D-Wave采用了绝热或量子退火方法,该方法定义了一个复杂的系统,其基态(最低能量状态)表示所提出问题的解决方案,它构造了一个简单系统并将其初始化为基态(对于简单系统而言相对简单),然后缓慢更改简单系统,直到变成复杂系统为止。 ,它保持基态,然后测量最终系统的状态。这将解决所提出的问题。通过打开背景磁场,可以从简单系统变为复杂系统。”

未来的冲击

一些科学家对量子计算极为怀疑,并怀疑它是否会构成任何有形的东西。

牛津大学数学研究所量子物理学教授阿图尔·埃克特(Artur Ekert)说,今天的物理学家只能控制少数几个量子位,这足以满足量子通信和量子密码学的要求,但仅此而已。他指出,将需要更多的驯化量子位来产生量子中继器和量子存储器,甚至还要更多的时间来保护和纠正量子数据。

“再增加几个量子位,我们应该能够对某些量子现象进行量子模拟,等等。但是,当这个过程到达'一台实用的量子计算机'时,定义一个'一台实用的量子计算机是一个很大的问题。 “的确是。我们在该领域的研究的最佳结果是发现,由于某些非常根本的原因,我们无法构建量子计算机,然后也许我们将学到一些新的知识和关于自然规律的深刻知识,”埃克特说。

Gildert补充说,量子计算的关键领域将是机器学习,它与人工智能(AI)领域紧密相关。该学科是关于构建可以从经验中学习的软件程序,与当前的静态软件相反。

吉尔德特说:“这与我们今天在大多数任务中使用计算的方式完全不同。” “学习软件不普及的原因是,当您仔细观察机器学习软件时,会发现一些非常困难且核心的数学问题,即引擎盖下的优化问题。D-Wave正在构建旨在解决这些问题的硬件引擎。棘手的问题,为全新的编程方式和创建有用的代码段打开了大门。”

根据Gildert所说,在医学诊断领域中,一个非常重要的现实应用是。可以编写将手编码规则应用于X射线或MRI图像的程序,以尝试检测图像中是否存在肿瘤。但是,当前的软件只能提供与专家医生有关在这些图像中查找内容的知识一样好的功能。借助学习软件,该程序将显示带有或不带有肿瘤的X射线或MRI扫描的示例,然后无需告知自己即可了解差异。借助这项技术,计算机甚至可以检测出医生看不到或可能根本没有注意到的异常。您展示的示例越多,它在此任务上的作用就越大。

吉尔德特说:“质量控制人员不太可能很快更换台式机。” “多年来,这取决于投入的精力,可用的资金以及解决问题的人员。合乎逻辑的假设是,这些机器将是基于云的协处理器,用于那些非常困难的公司所使用的现有数据中心。要解决的问题量子系统非常擅长解决AI和机器学习领域中的一类特殊难题,因此我们专注于构建工具,以帮助向从事这些领域工作的人们介绍量子计算的潜力。 ”

专门研究高性能计算的分析公司Intersect360 Research的首席执行官Addison Snell说:“量子计算仍然是政府和国防研究实验室中最感兴趣的东西。尽管量子计算的原理已经描述了多年,但是一个全新的范例,以及 应用领域 即使从理论上讲,它也很小。但是,其中一些应用可能与 安全 ,因此仍然具有很高的兴趣度。”

“量子计算肯定是……的'雷达' IBM公司 公司 公司,HP和其他超级计算供应商,但是很难说他们有多少工程师从事这项技术。在这一点上,除了少数几个精品超级计算装置外,还不确定量子计算是否会发挥任何作用。但是,如果有的话,在未来五年内,我们不太可能看到商用的工作系统。”

Stamp补充说:“这取决于您对操作系统的含义。” “如果您相信D-Wave,我们现在已经有一个商用系统。我认为对于真正的量子计算机,我们可能会说大型公司可以购买的东西要花10年,而普通公司要花25到30年。消费者。”

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战略研究公司(Strategy Research Corporation)分析师兼首席执行官迈克尔·彼得森(Michael Peterson)表示:“即使量子计算被证明具有竞争性和有效性,我也会把它淘汰20年,因为它必须具备非常复杂的基础架构。 “开发这样的新技术需要'打破物理定律'不止一次。”但是,在过去的25年中,我们使用磁盘技术做了很多次,而且还会做很多次。”

Mordoff补充说,还有其他商业公司正在评估量子计算机,但是到目前为止,除洛克希德公司和D-Wave之外,没有人真正在“使用”它们。埃克特说:“无论我们是否想要,我们最终都必须冒险进入量子领域。”

“一些研究人员认为,通用量子计算机将永远不会被开发。相反,它们将致力于狭窄的用途,例如D-Wave Systems的优化引擎。这表明传统计算机将特定计算分担特定的量子加速工作的架构Tully补充说,加速引擎方法已经准备好被可以使用它们的用户类别普遍采用,大约还有10年的时间;但是,它们对于云服务提供商而言可能是有吸引力的产品。”

Sartain是《 Data Networks 101》的作者,也是来自犹他州盐湖城的自由撰稿人。可以通过[email protected]与她联系。

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