Google「量子優越性」論文正式發表,量子計算到底是什麼?

019 年 10 月 23 日,Nature 正式刊登了 Google 關於「實現量子優越性」的論文。Google 的論文顯示,他們製造出了 53 個量子位元數的量子電腦,計算能力遠遠超過傳統的超級電腦。同樣的計算量,量子電腦用 200 秒就完成了,而目前最強的超級電腦,要花費 10000 年才能完成。

 

IBM 的研究人員對此有不同看法。10 月 21 日,IBM 的研究人員發文,質疑了 Google 的實驗方法:Google 在估算經典超級電腦需要 10000 年來計算的估算上出了問題,而 IBM 的方法可以讓超級電腦在 2.5 天內以更高的保真度完成相同計算任務。這還是」 保守的、最壞情況的估計 「,其他研究能進一步減少時間。

不管是 10000 年還是 2.5 天,量子電腦的速度都是遠超過傳統電腦,這背後關鍵原因是量子並行計算。解釋量子並行計算,要從量子的屬性說起。

「量子」不是具體指某一種粒子,而是量子世界中物質客體的總稱,可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子,也可以是宏觀尺度下的量子系統,比如「薛定諤貓」。

在我們的日常經驗中,宏觀世界物體的物理量和狀態在某個時刻總是確定的。比如,一個燈泡要麼是開的,要麼是關的,不可能是即開著又關著的。

但在量子世界裡,「即開著又關著的燈泡」是存在的,因為量子具有疊加態。量子疊加是指,一個量子系統可以處在不同量子態的疊加態上。簡言之,就是兩種狀態疊加在一起。

「薛定諤的貓」就是解釋量子疊加的一個思想實驗:把貓關在一個不透明的箱子裡,箱子裡有一個裝置,可以釋放出毒氣。如果不打開箱子去觀察(測量),貓就陷於一種死/活的疊加狀態。

除了疊加態,量子還有另一個重要的特性——量子纏結。量子纏結是指,兩個粒子即使相隔數光年之遙,也能夠具有相互聯繫的特性。

首張量子纏結的圖片

1981 年,美國物理學家理察·費曼提出,原則上,人們可以設計一種電腦,該電腦透過量子力學特性來工作,模擬量子系統並採用量子方程得到解。由於量子系統具有天然的並行處理能力,用它所實現的電腦很可能會遠遠超越電腦。

傳統電腦的資訊單位是位元,一般用 「0」 和 「1」 來表示。一個位元,要麼是「0」,要麼是「1」。量子電腦的資訊單位是「量子位元」。上面說到,量子具有疊加態的特性,因此量子位元可以同時處於「0」和「1」的狀態。

有人做過一個比喻:傳統的位元是 「按鈕開關」,按下去或是開起來只有開和關兩個狀態(0 和 1),而量子位元是 「旋鈕」,就像收音機上調頻的旋鈕那樣,有無窮多個狀態。電腦透過操縱傳統位元進行運算,而量子電腦是操縱量子位元,本質上就是去旋轉它們。

由於這種疊加的特性,讓量子電腦可以具備了強大的並行計算能力。在設計量子電腦時,通常會利用量子纏結的特性,讓一個粒子和其他粒子糾纏,進一步提升並行計算能力。簡而言之,利用量子疊加和量子纏結可使計算能力指數級增長。

製造量子電腦不是件容易的事。由於量子位元的量子態非常脆弱,打造量子電腦主要困難之一是保持量子態超低溫度。「噪音」的最輕微振動或溫度擾動的變化,都可能導致粒子在工作正常完成之前就發生量子行為的衰減,這被稱為「退相干(Decoherence)」現象。

因此量子電腦必須在極度低溫條件下工作,以盡力保護量子位元不受外界環境影響。其次,因為量子位元的不穩定性,量子計算的精密度也存在問題。

不少研究人員都認為,Google 的成果推動量子計算往前走了一大步,但大家都很清楚,量子計算可以使用的應用條件還是非常有限。

目前,電腦仍然是解決大多數問題最簡單、最經濟的解決方案。而量子電腦適用於材料科學、藥物研究和密碼學等領域,有公司已經在試驗將其應用於汽車行業和製藥業。此外,機器學習裡核心的優化過程與量子計算是天作之合,Google 花這麼大力氣研發量子電腦也就不奇怪了。

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