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量子計算機到底能做什麼?

(ShutterStock)

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【大紀元2019年07月29日訊】(大紀元記者張妮編譯)谷歌、IBM、IonQ、Rigetti和哈佛大學等多家頂尖機構都在建造量子計算機,很多人認為谷歌今年底有可能實現第一里程碑。

可是量子計算機到底能做什麽?《量子雜誌》(Quanta Magazine)發表的一篇博文介紹說:「量子計算機永遠也不會完全取代傳統計算機——比如您現在用來閱讀這篇文章所使用的電子設備。它們不能運行網頁瀏覽器、不能幫你報稅、也不能從Netflix上看流媒體視頻。」

研究者希望量子計算機能完成一些現在的計算機無法完成的計算,至少這是第一步,它也是研究者們普遍認可、設定的第一個里程碑。

谷歌正在醖釀一個命名為「量子至上」(quantum supremacy)的計畫,簡單地說就是要展現量子計算機如何超越現有計算機運行能力的極限。

什麼是「量子至上」?

這個目標是抽像的,是人們期望量子計算機擁有的一種抽像的優越性,也就是說實現這個里程碑暫時是看不到什麽實際用途的。

但是研究者認為它將是計算機歷史上一個分水嶺,為量子計算機以後解決實際問題奠定基礎。

這一點科學家從量子計算機之前的發展歷史中已「嚐到甜頭」。在上世紀90年代,第一個量子算法解決了一個無關緊要的問題,但是它幫助電腦專家後來開發出有重要實際用途的算法,比如為很大的整數分解質因數的舒爾算法(Shor’s algorithm)。

量子界的研究者們希望這樣的過程還會重演——從造出具有「量子至上」能力的量子計算機的過程中,獲得啟發找到量子計算機以後更廣闊的用途。

如何證明「量子至上」的實現?

德克薩斯大學計算機科學家Scott Aaronson說:「不像火箭發射或是核爆炸,可以看著它發生並立即知道它是否成功。」要證明「量子至上」目標的達成,要證明兩件事:量子計算機完成一項運算任務很快;而傳統計算機無法完成同樣的任務。

後者可不容易。因為傳統計算機也在不斷快速發展,一直有效率更高的算法出現,要證明傳統計算「不能」做什麼,不是個簡單的命題。

儘管如此,研究者嚐試模擬擲骰子情形來證明量子計算機能實現傳統計算機完成不了的運算。

傳統計算機模擬擲骰子,只有6個可能的結果。量子計算機的「骰子」是量子比特,可以選擇不同數位的量子比特作為不同「大小」的骰子。

比如選擇一個具有50個量子比特的骰子,加上量子糾纏、量子疊加態的作用,可以得到2的50次方個可能性的狀態結果。在傳統計算機還沒有找到更先進的算法的情況下,很快就會超載或溢出。

目前的障礙?

像傳統計算機有各種「門」的計算一樣,量子計算機也有「門」操作的概念。不同的「門」對量子比特狀態實現不同的改變,就像「非門」進行反轉運算、「與門」進行疊加運算等。

量子計算機將量子比特所要經過的「門」操作的數量叫做「深度」,如果要經過10個門操作,就稱其「深度」為10。

如果進行少量的量子比特運算,傳統計算機還是一樣可以完成任務。研究者估計,當量子比特數目為70~100,深度為10的時候,目前的計算機就無法完成了,這個規模的運算就能展現「量子至上」。

但是,讓量子工程師們頭疼的是:隨著量子比特和門的數量的增多,其運算錯誤的概率也在增大。如果出錯概率太高,量子計算機較傳統計算機就失去優越性。

目前量子計算機的門操作出錯率很高,最佳的2量子數位的門操作出錯率約為0.5%,即每200次運算就會出錯一次。這比傳統計算機高出太多。傳統計算機每10的17次方個運算才會出錯一次。量子工程師的目標是把出錯率降低到0.1%。

各家的進展?

多家媒體稱,谷歌今年底就能實現「量子至上」。不過,相同的說法2017年也出現過。

其它機構IBM、IonQ、Rigetti和哈佛大學據說也離目標不遠了。每家採用的技術方式並不相同。

谷歌、IBM和Rigetti使用超導回路的方式;IonQ使用離子阱;哈佛使用銣原子;微軟使用拓撲量子比特。

每種方式各有利弊

超導回路使用固態材料製造,執行門操作很快,但是量子比特無法移動,其中某些技術的實現很困難。而且需要超低溫,每個比特還需要單獨校準,這讓製造大規模、有實際用途的量子計算機變得很困難。

離子阱中每個離子都是一樣的,容易製造,而且禁錮的環境讓量子比特在被環境干擾前有更多的時間進行計算。但是門操作很慢,比超導回路慢數千倍;而且離子可以四處活動,難以控制。

目前,超導回路技術進展最快。但是不管哪種技術都面臨巨大的瓶頸。

加州大學的量子信息科學家Adam Bouland說,就像當年出現晶體管的突破一樣,量子計算機的發展目前也需要出現一種突破性進展。◇

責任編輯:朱涵儒

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2019-07-29 11:07 AM
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