谷歌宣称量子霸权已经实现,中国量子计算走在

admin 2020-06-04 04:30 公司动态

据英国《金融时报》报道,谷歌研究人员在本周向美国国家航空航天局(NASA)提交的论文中写道,其实验标志着量子处理器上执行的首次计算。而这一堪称“恐怖”的计算速度,被研究人员称作是“量子霸权”的证明。

量子计算是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

1981年,保罗·贝尼奥夫(PaulBenioff)分别从理论上提出驾驭量子物理属性进行计算操作的方案,提出了制造量子图灵机的理论。

1982年,著名物理学家费曼发展了贝尼奥夫的设想,提出量子计算机可以模拟其他量子系统。为了仿真模拟量子力学系统,费曼提出了按照量子力学规律工作计算机的概念,这被认为是最早量子计算机的思想。

1996年,山姆·洛伊德(S.Loyd)证明了费曼的猜想,他指出模拟量子系统的演化将成为量子计算机的一个重要用途,量子计算机可以建立在量子图灵机的基础上。

从此,随着计算机科学和物理学间跨学科研究的突飞猛进,使得量子计算的理论和实验研究蓬勃发展。使得量子计算机的发展开始进入新的时代,各国政府和各大公司也纷纷制定了针对量子计算机的一系列研究开发计划。

量子计算机为什么会被各国所看重,因为量子计算机基于量子叠加态的原理可以拥有秒杀所有传统计算机的计算能力。

量子叠加态最著名的就是薛定谔的猫实验,薛定谔的猫是指在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。

但是在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后才能够知道。

量子力学的一个中心原则就是粒子可以存在于叠加态中,能同时拥有两个相反的特性,也就是我们说的波粒二象性。尽管我们在日常生活中常常面对“不是A就是B”的抉择,而但在微观世界中是可以接受“既是 A 又是 B”的。

传统计算机每比特非0即1,而在量子计算机中,量子比特可以以处于即是0又是1的量子叠加态,这使得量子计算机具备传统计算机无法想象的超级算力。

但在量子计算机中,变量X是量子叠加态,既为1,又为0,因此它可以在一次计算中同时执行A和B。这也被称为量子比特或者叫量子位。成为了量子信息的计量单位。

做个总结,传统计算机使用0和1,量子计算机也是使用0跟1,但与之不同的是,其0与1可同时计算。古典系统中,一个比特在同一时间,不是0,就是1,但量子比特是0和1的量子叠加。这是量子计算机计算的特性。

所以如果我们将量子比特的数量增加到10个,那么传统计算机需要计算2^10=1024次。量子计算机需要计算多少次呢?

我们再把量子比特数加到100个、1000个、10000个乃至更多,看出差距了吗?现有计算机要运行上万年的工作量,量子计算机只用几分钟就能搞定。

众所周知,超算是一个国家综合实力的体现,不仅在核试爆模拟、现代武器装备研制,航天卫星等国防科技领域发挥重要作用,其次它会在诸如气象,物理,探测等领域显现出它的优势。料科学与计算纳米技术、人工智能、深入学习、生物医药、基因工程、金融分析等新兴领域超算也发挥着重要的作用,在未来的 5G 时代,超算将发展为共享服务器云计算的形式,发挥它极强运算速度和大批量数据处理的优势。

目前,到目前为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机,它的实现还有许多技术上的问题。

比如量子的精度问题。打个比方,普通计算机在计算1+1等于几时,基本是不会出错的,而量子计算机由于量子精度不高的原因,可能运算1千次1+1的问题时,就有一次答案会出错。

而且量子计算很容易受到量子纠缠的影响,量子计算的相干性是量子并行运算的精髓,量子力学中微观粒子间的相互叠加作用能产生类似经典力学中光的干涉现象,这被称为量子态相干性。

为了用许多这样的量子比特执行计算任务,它们必须持续地处在一种相互关联的叠加态下,也就是我们刚说的量子相干态。这些量子比特处于纠缠之中,一个比特的变化能够影响到剩下所有的量子比特。

这就暗示了基于量子比特的运算能力将远远超过传统比特。传统电子计算机的运算能力随着比特位的增加呈线性增长,而每增加一个量子比特位,则有可能使量子计算机的运算能力加倍(呈指数增长)。

但在实际情况下,量子比特会受到外界环境的作用与影响,从而产生量子纠缠。量子相干性极易受到量子纠缠的干扰,导致量子相干性降低,也就是所谓的消相干现象。研究者们所建造的量子计算机必须拥有能延缓“退相干”的能力,而目前相干性最多只能保持不到一秒。

并且随着量子比特数量的增加,保持相干态将变得越来越难,因为越多的量子比特数意味着系统越容易和周围环境相互影响。也就是说虽然随着量子位的增加,量子计算机的计算能力会大幅度提高,但是整体运算精度就会相应大幅下降。这是一个非常尴尬的情况。

另一方面,量子态不能复制,使得不能把经典计算机中很完善的纠错方法直接移植到量子计算机中来,由于量子计算机在计算过程中不能对量子态测量,因为这种测量会改变量子态,而且这种改变是不可恢复的,因此在纠错方面存在很多问题。

目前的量子计算主要有三种技术路径,分别是谷歌和 IBM 采用的通过超导系统实现量子计算、微软的拓扑量子计算、英特尔的超导量子计算和硅量子点同步研发。

但迄今为止,尚无机构真正开发出一款可通用于各种计算任务的量子计算机。已经推出机器们都面临这各种各样的局限性,规模尚小、容易出错,在应用上也往往被限制于某种特定领域。

目前科学家们还提出了几种方案.第一种方案是核磁共振计算机.其原理是用自旋向上或向下表示量子位的0和1两种状态,重点在于实现自旋状态的控制非操作,优点在于尽可能保证了量子态和环境的较好隔离。

第二种是二种方案是离子阱计算机.其原理是将一系列自旋为1/2的冷离子被禁锢在线性量子势阱里,组成一个相对稳定的绝热系统,重点在于由激光来实现自旋翻转的控制非操作其优点在于极度减弱了去相干效应,而且很容易在任意离子之间实现n位量子门。

第三种方案是硅基半导体量子计算机.其原理是在高纯度硅中掺杂自旋为1/2的离子实现存储信息的量子位,重点在于用绝缘物质实现量子态的隔绝,其优点在于可以利用现代高效的半导体技术。

中国在量子力学的运用上一直走在世界前列,量子力学有两大应用,一个是量子通信一个是量子计算。在量子通信技术上,中国是处于垄断地位的。

就像我们说的一样,从潘建伟教授首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发,经过四年时间,2016年,墨子号量子卫星成功发射,量子卫星的发射是有史以来量子通信第一次迈入实用阶段。量子卫星的发射为构建覆盖全球的量子保密通信网络奠定了可靠的技术基础。

截至2017年8月,“墨子号”圆满完成三大既定的科学目标:千公里级地星双向量子纠缠分发、地星量子密钥分发和地星量子隐形传态,。

美国目前还在建立一个远距离光纤量子通信干线,直线距离600公里,光纤皮长1000公里,拥有10个中转基站,并计划星地量子通信。

2019年9月20日,潘建伟团队还利用“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验。这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试结合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验。

最终,通过一系列精巧的实验设计和理论分析,本次实验令人信服地排除了“事件形式”理论所预言的引力导致纠缠退相干现象。

而在量子计算研究上,杜江峰研究组把金刚石的一个碳原子由氮原子取代,外加氮原子旁边的一个空位,组成了NV色心结构,成为单自旋固态量子计算的载体。基于金刚石体系的固态量子计算有标准量子计算的门操作,杜江峰研究组在传统的纠错码下达到了非常高的操作精度,量子逻辑门精度达到了99.99%,其单比特门精度已经满足容错计算的需求。

简而言之,就是解决了量子计算机的精度问题。但其NV色心可集成性远远不如量子点系统和超导系统,离建成真正的量子计算机还有相当漫长的路要走。

清华大学正在研究离子和核自旋的量子计算;国防科大和中科院武汉物理数学所正在研究离子系统的量子计算;南京大学正在研究基于超导材料的量子计算,这些单位都建成了相应的实验平台,具备了开展高水平研究的条件。

前段时间,另外,浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等单位组成的团队通力合作开辟出具有20个超导量子比特的量子芯片,并成功操控事实上现全局纠缠,更是刷新了固态量子器件中生成纠缠态的量子比特数目的世界纪录。

而目前美国在量子计算上也取得了不小的成绩,2019年9月18日IBM宣布,将在下月推出53量子比特的可“商用”量子计算机,向外部用户开放使用。IBM说,这是该公司迄今开发的最强大的量子计算系统。

但是随着量子位的增加,量子计算机的计算能力会大幅度提高,但是整体运算精度就会相应大幅下降,IBM如何解决这个问题,也让我们下个月拭目以待。

英特尔公司量子硬件负责人吉姆·克拉克曾说:“量子可能是未来100年的计算技术。这有点像太空竞赛,一代人时间里出现一次”。

目前,谷歌宣称量子霸权”已经实现,但谷歌发言人拒绝证实该论文及其结果的真实性,而 NASA 没有立即回应置评请求,据美国《财富》杂志援引谷歌消息人士称,之所以出现这样的情况,是因为论文还没有被正式发表。

即使论文正式发表,也还需要经过实验的证明,BM 研究主管 Dario Gil 就表示。他认为,“该实验和『霸权』这种字眼几乎会对所有人产生误导。”他将这一实验描述为高度特殊的“实验室”成果,认为其“没有实际应用价值”。“量子计算机永远都不会取得超越传统计算机的『霸权』,而是将与后者协作,因为二者各有其独特的优势”。

不管怎么样来说,量子计算机距离严格意义的大规模商用还为时尚早,科学进步从来都是漫长的苦旅,去解决其中尚存的问题,从而推动生产力的发展,促进社会的进步。

总结来说,量子霸权或许将至,但真正落地还很遥远,希望我们中国的科学家可以把量子计算机真正落地。

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