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谷歌的量子霸权对于量子计算意味着什么?

作者:匿名 时间:2019-11-01 14:16:36 人气:4922

资料来源:半导体工业观察(Semiconductor Industry Watch)从许志永的《ieee频谱》中翻译的内容,谢谢。

谷歌声称已经证实了量子霸权(在通往实用量子计算的漫长道路上最早和最受期待的里程碑之一),这应该在一本著名的科学杂志上正式公布。然而,这篇研究论文的早期泄露引起了疯狂的媒体报道和一些关于量子计算机何时能破解全球计算机安全算法的错误猜测。

未来,量子计算可能会严重威胁数字通信的安全,这一时刻可能会持续数年甚至数十年。然而,泄露的谷歌文件草案可能代表了长期理论前提的第一个实验证明。专家说量子计算机在某些任务上甚至可以超过最强大的现代超级计算机。这种量子霸权的展示是一个期待已久的里程碑,它向研究人员表明,他们正走在让量子计算实用化的正确道路上。

“对于我们这些从事量子计算的人来说,量子霸权的实现是一个巨大而非常受欢迎的里程碑,”计算机科学家斯科特·艾伦(Scott Aaron)说,他是奥斯汀德克萨斯大学量子信息中心的主任,没有参与谷歌的研究。“这并不奇怪——这是我们所有人的预期,最多几年后就会出现。

什么是量子计算?

量子计算利用量子物理的规则来控制宇宙中一些最小的粒子,从而创造出与今天智能手机和笔记本电脑中使用的“经典”计算机芯片完全不同的设备。不同于经典计算的二进制信息位,它们只能以两种基本状态之一存在。量子计算机依赖于量子比特,量子比特可以以许多不同的可能状态存在。用硬币作为类比,经典计算只能存在于“正面”和“背面”,而量子计算并不仅限于此。

由于每个量子位可以容纳许多不同的信息状态,因此通过量子纠缠连接的多个量子位可以在现代超级计算机上快速执行复杂的计算操作,这可能需要数千年或数百万年的时间。为了建造这样的量子计算机,一些研究实验室一直在使用激光和电场来捕捉和操纵原子作为单个量子位。

其他小组,如加州大学圣巴巴拉分校的约翰·马丁尼斯领导的谷歌人工智能量子实验室,也在测试超导金属环制成的量子位。这种方法使谷歌及其研究伙伴能够展示基于54个量子位阵列的量子霸权。矩形排列-一个量子位被证明是有缺陷的,这使得工作量子位的数量减少到53个。(谷歌没有回复置评请求。)

阿伦森说:“在过去的一两年里,我们有一个非常好的主意,那就是成立一个谷歌团队,因为他们在所有的工作中已经明确地把目标对准了这个目标。”。“他们也是硬件建设的先锋。

谷歌的量子霸权实验

谷歌的实验测试了该公司的量子计算设备sycamore能否从随机量子电路中正确生成样本——这相当于验证随机数发生器的量子版本。在这种情况下,量子电路由特定的单量子位和双量子位逻辑操作随机序列组成,并且多达20个这样的操作(称为“门”)被随机串在一起。

Sycamore量子计算设备在短短3分20秒内对随机量子电路进行了100万次采样。当研究小组在一台经典计算机上模拟相同的量子电路时,他们发现即使是世界上最强大的超级计算机也需要大约10,000年才能完成同样的任务。

“在经典的计算机世界里,有很多人不懂量子理论。他们声称量子计算机并不比经典计算机更强大,”理论物理教授、巴吞鲁日路易斯安那州立大学量子科学和技术小组成员乔纳森·道林说。“这个实验让他们大吃一惊。

"这不是珠穆朗玛峰的顶峰,但它确实穿过了一座非常大的山峰."南加州大学的丹尼尔激光雷达。

这可能是一个转折点,甚至谷歌都没有预料到。描述该公司量子霸权实验的论文草稿很久以前就被泄露了,可能是美国宇航局艾姆斯研究中心的一个研究伙伴将论文上传到了美国宇航局的技术报告服务器上。如果不是因为谷歌自己的搜索引擎算法,它可能会在被匆忙删除之前被忽视。然而,谷歌自己的搜索引擎算法发现了这篇论文,并通过电子邮件将其发送给多里安和其他注册量子计算的谷歌学者。

随机数发生器实验可能看起来像量子霸权的任意基准,并没有在许多实际应用中得到应用。然而,阿伦森最近提出,这种随机量子电路可以作为认证随机协议的基础,这对于某些加密货币和加密协议可能非常有用。除了这一非常具体的应用,他还建议未来的量子计算实验可能旨在对复杂系统进行有用的量子模拟,例如在凝聚态物理中发现的那些系统。

量子计算的下一步是什么?

谷歌取得的明显成就并不排除另一个研究小组开发更好的经典计算算法的可能性,该算法比谷歌目前的量子计算设备更快地解决随机数发生器的挑战。但是即使发生这种情况,随着时间的推移,量子计算功能预计将大大超过经典计算的有限增长。

“经典计算和量子计算之间的竞争将会继续,”洛杉矶南加州大学量子信息科学与技术中心主任丹尼尔·里德说。“然而,据我们所知,因为具有足够高保真组件的量子计算机具有更好的可扩展性——对某些问题来说是指数级增长——最终,经典计算机将无法跟上竞争。

谷歌的团队甚至创造了一个术语来描述经典计算中量子计算的速度:neven定律。与摩尔定律不同,摩尔定律预测经典计算能力每两年将翻倍(指数增长),内文定律描述量子计算将通过双倍指数增长实现更快的速度。

新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室研究量子计算机的理论物理学家安德鲁·索恩伯格(Andrew sornborger)说:“如果你在图上画了一个双指数,看起来这条线是零,然后你触摸一个盒子的一角,然后你就一直向上走。与其说这是一个进化,不如说是一个事件——在你遇到一个角落之前和之后。

从长远来看,量子计算的指数增长优势可能会改变现实世界中科学研究和应用的某些领域。例如,索恩伯格预测,未来的量子计算机将能够比现在最好的超级计算机执行更复杂的模拟。

每个人都想要的:量子纠错

另一个长期预期是通用量子计算机有一天可能破解用于保护计算机安全和互联网的标准数字代码。当《金融时报》首次报道谷歌的量子霸权实验时,这种可能性引发了阴谋论者和至少一名美国人的过早警告。(越来越多的网上猜测最终促使新加坡国立大学的博士生黄叶君在他的谷歌云硬盘账户上分享了一份泄露的谷歌论文。)

事实上,美国政府已经在采取措施,为量子计算在未来突破现代密码学标准的可能性做准备。美国国家标准与技术研究所一直在监督一个过程,该过程要求密码学研究人员开发和测试能够继续维持全球通信安全的抗量子算法。

量子计算可能对数字通信的安全构成严重威胁,即使不是在未来几十年,也将是在未来许多年。

量子霸权的实现只是开发实用量子计算机所需的许多步骤中的第一步。量子比特在执行计算操作时需要在更长的时间内保持特定的量子状态,这对脆弱的量子比特来说是一个挑战。这意味着要拼凑出一个包含数千甚至数百万个量子位的大阵列并不容易,这对于实用和通用的量子计算可能是必要的。

如此庞大的量子位阵列需要纠错技术,可以检测和修复许多独立工作的量子位中的错误。激光雷达表示,一台实用的量子计算机需要进行全面的纠错,并证明其容错能力——不受逻辑运算和量子位测量误差的影响——才能真正释放量子计算的力量。

许多专家认为量子计算的下一个重要里程碑将是实现量子霸权的量子计算设备中成功纠错的证明。由于最新实验中显示的量子计算体系结构是为了适应“表面代码”纠错而设计的,谷歌的团队有能力实现这一目标。随着许多研究者的出现,几乎可以肯定,许多公司将超越量子霸权的里程碑。

激光雷达说:“你正一步步走向珠穆朗玛峰的顶峰。”。"这不是珠穆朗玛峰的顶峰,但它一定是在穿越一座非常大的山峰。"

*免责声明:这篇文章最初是作者写的。这篇文章的内容是作者的个人观点。重印半导体行业观察只是为了传达不同的观点。这并不意味着半导体行业观察同意或支持这一观点。如果您有任何异议,请联系半导体行业观察。

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