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[电脑数码] 面对气候变化等生存危机,也许我们只是需要一台量子计算机

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发表于 2020-7-29 10:15 PM |显示全部楼层


面对气候变化等生存危机,也许我们只是需要一台量子计算机

 造就 造就 2020-07-28



2019年9月,谷歌声称打造出了世界上第一台量子计算机,计算能力远远超过目前最强大的超级计算机,实现了量子霸权,为原本火热的量子竞赛又加了一把火。(想要快速了解量子计算机?欢迎收看量子霸权的时代,要来了吗?| 脑类知


谷歌的量子霸权


2019年6月4日,谷歌的量子研究团队召开了一次紧急会议。在过去10年中,这个团队的大部分精力都用来建造一台能实际运行的量子计算机,距离量子霸权越来越近。

 

团队成员塞尔吉奥·博伊克索(Sergio Boixo)设计了一个传统计算机几乎不可能完成的任务,但谷歌的Sycamore量子芯片却能轻而易举地解决。模拟结果看起来不错,到2019年4月底,量子霸权对谷歌来说似乎已经触手可及。

 

但在5月31日,谷歌的另一个团队发现,对于一台传统计算机来说,博伊克索的任务实际上比想象中简单一百万倍。

 

“我有点慌了。”博伊克索说。

 

安东尼·梅格兰特(Anthony Megrant)是团队中的量子硬件工程师。问题发生时,他正在休陪产假。6月初他回到实验室,发现实验室里一片慌乱。“我当时的反应是:认真的吗?我才离开一周啊!”他笑着说。

 

6月7日,谷歌团队重新设计了任务,并将其编入Sycamore量子芯片。这个芯片只有拇指指甲大小,被放置在一个巨大的低温恒温器底部。


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谷歌量子计算实验室中的低温恒温器,旨在将量子芯片保持在接近绝对零度的温度中


在显微镜下,Sycamore芯片看起来和其他芯片没什么不同——芯片上布满了令人眼花缭乱的银色图案。但在6月13日,它完成了一件传统计算机不可能做到的事情:Sycamore芯片完成了博伊克索的任务,用时3分20秒,而传统的Summit超级计算机完成这项任务需要花费1万年。
 
2019年9月,这条消息被泄露,立刻成为全球头条新闻,引发了巨大争议。IBM质疑,谷歌所谓的传统计算机10000年才能完成的运算,实际上只要2.5天就可以完成。Google团队则认为,得把传统计算机连接到核电站上,才能在2.5天完成。

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谷歌量子计算理论的首席科学家博伊克索


强大的量子计算机


1981年5月6日,量子力学界的领军人物查德·费曼(Richard Feynman)在加州理工学院演讲时,提到了模拟自然的问题。

 

量子力学研究的是物理学极微观层面发生的奇怪现象。在亚原子层面,自然不再遵守我们熟悉的法则。电子和光子有时像波,有时像粒子。被测量前,它们甚至可以同时处于两种状态,或者同时出现在两个地方——这种现象被称为量子叠加。

 

费曼是第一个意识到其中意义的人。如果想精确地模拟物理、化学或其他任何既复杂又微小的东西,必然需要一个遵循量子力学定律的设备。这对传统计算机来说是个难题。

 

传统计算机的单位是比特——开的位置用“1”表示,关的位置用“0”表示。你访问的每一个网站,玩的每一个电子游戏,观看的每一个视频,本质上都是由0和1组成的。但是比特非黑即白,要么是0要么是1,这意味着一些看似简单的问题对传统计算机来说非常复杂。

 

“比如说,我们想从英国到美国的14个城市,需要找出最佳路径——我的笔记本电脑可以在一秒钟内做到这一点,”威廉·赫尔利(William Hurley)解释道,他是Strangeworks公司的创始人,该公司旨在实现量子计算。“但如果我用同样的算法,用同样的笔记本电脑,计算去22个城市的最佳路径,那将需要2000年。”

 

想找到最佳路径,传统计算机必须检查每一条可能路线——去11个城市的可能路线有2千万条,12个城市有2.4亿条,15个城市超过6500亿条。每增加一个变量,可能性成倍增长。

 

2012年,澳大利亚研究人员发明了一种由单个原子组成的晶体管,可以在两种状态之间切换,表示1和0。从那以后,除了进入量子领域,计算机就没有别的出路了。


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在微软的雷德蒙德园区,一个精密的烙铁将量子元件固定在一块电路板上


1985年,牛津大学物理学家大卫·多伊奇(David Deutsch发现,量子计算机远比物理模拟器更强大。比特只能是1或0,而量子比特可以是1或0,也可以同时是1和0。


多伊奇认为,利用量子力学的不确定性,量子计算机可以同时并行地尝试每条路径,不用像传统计算机那样依次尝试。

 

1994年,牛津大学量子物理教授阿图尔·埃克特(Artur Ekert)在国际原子物理学会议上发表了演讲。他第一次将量子计算分解成基本的组成部分,并将其与传统计算机进行了类比,描述了建造量子机器所需的开关和逻辑门类型。

 

埃克特的演讲为量子竞赛打响了发令枪。


“这次会议开启了一场雪崩。突然之间,计算机科学家们开始谈论算法;原子物理学家看到了他们的用武之地。后来这场雪崩蔓延到其他领域,开始加速发展,最后变成了你现在看到的这个行业。”


量子竞赛


20世纪90年代,量子比特只是一个纯理论构想。科学家们需要找到或创造一种既小到能够遵守量子力学定律,又大到能够控制的东西。


过去十年里,谷歌、亚马逊、微软、IBM等公司你追我赶,都想成为第一个制造出量子计算机的公司。

 

2013年,谷歌建立了量子人工智能实验室,致力于通过超导量子比特,实现量子计算。超导量子比特的研发是基于一种被称为约瑟夫森结的独特结构——一种特殊构造的微小金属环,具有非线性特性,可以被限制在两种状态的叠加。本质上,它就像一个开关。谷歌和IBM等公司都将超导量子比特作为量子计算机的突破方向。

 

在谷歌实验室中,梅格兰特解释了如何使用微波脉冲将每个量子比特的能量状态在0到1之间转换,以及研究人员如何修改每个状态的阈值和量子比特之间的耦合强度来实现纠缠。


但这些必须在极低的温度下进行,因为所有类型的量子比特都非常挑剔——最轻微的干扰都能使叠加状态消失,所以需要尽可能地把它们与环境隔离,但同时还要想办法控制它们。


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微软工程师正在组装量子计算机低温恒温器的“枝形吊灯”


微软和谷歌目前都在制造一种可以在较低温度下工作的芯片,从而在不增加干扰的情况下控制量子比特。这是一场与时间赛跑的比赛,必须在量子比特叠加状态消失之前的几分之一秒内完成尽可能多的运算。

 

在过去十年中,量子比特的数量在不断升级。2016年,谷歌用9个量子比特模拟了一个氢分子;2017年,英特尔实现了17个量子比特;同年,IBM宣布制造了一个50个量子比特的芯片,可以将量子叠加状态维持90微秒;2018年,谷歌推出了拥有72个量子比特的处理器Bristlecone……


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谷歌量子硬件工程师安东尼·梅格兰特


谷歌的Sycamore芯片只拥有54个量子比特,但是这些量子比特被安排在一个网格中,加快了计算速度。在2019年伊始,谷歌团队逐渐增加了实验难度。起初,一切看起来进展顺利,但几个月后,他们发现量子芯片的性能出现了显著下降,其复杂度与超级计算机模拟量子比特的复杂度差不多。

 

遇到一个问题,很难知道是由于制造错误、噪音和干扰,还是因为遇到了一个本质问题——一些未被发现的宇宙定律。“也许量子力学在30个量子比特就停止了,”梅格兰特开玩笑说。

 

最后,他们发现问题是一个校准错误引起的。但一些研究人员认为,可能还有其他影响因素,因为即使谷歌尽一切努力保护量子比特不受干扰,计算错误率仍旧居高不下。当然,我们可以对这些错误进行校正,但需要更多的量子比特——然后需要更多的量子比特来校正这些量子比特。

 

这就是为什么创造了“量子霸权”一词的物理学家约翰·普莱斯基尔(John Preskill)认为,我们离真实的量子计算机还有很长的路要走。也因此,微软确信超导量子比特是一条走不通的死胡同。微软量子硬件部门的总经理凯坦•纳亚克(Chetan Nayak)说:“商用量子计算机怎样解决传统计算机无法解决的问题,我们看不到任何希望。”

 

微软选择了另外一条道路:微软目前正在测试一种低温恒温器,看起来和谷歌的恒温器非常相似,但是将用于一种不同类型的量子处理器。


如果说谷歌登上量子霸权山顶的路非常崎岖,那么微软也许一开始就走错了方向。他们试图利用一种被称为“拓扑量子比特”的东西来代替超导量子比特。唯一的问题是,这种东西可能并不存在。

 

拓扑量子比特是基于一种叫做马约拉纳费米子的粒子,能同时在多个地方编码量子比特的状态。纳亚克用《哈利·波特》中的例子来解释拓扑量子比特:


“故事的反派Boss伏地魔把灵魂做成了七个魂器,藏在不同的地方,这样他就不会被杀死。”“我们用拓扑量子比特所做的,就是将我们的量子比特分散到6个马约拉纳费米子上,这就是我们的魂器。仅仅对它们中的一个或另一个做点什么,是不能杀死“伏地魔”的,量子比特仍然在那里。”

 

但是科学家们始终无法确定马约拉纳费米子是否存在。自20世纪30年代以来,人们就开始将其理论化,但实验证据并非无懈可击。尽管如此,微软却很自信。


科技与自然的对抗


比起“量子霸权”,微软和IBM现在更喜欢谈论“量子优势”——量子计算机可以让你做到以前做不到的事情。


谷歌发言人表示,“我们真正关注的是提供价值和提供量子优势,而不是在与行业无关的问题上显示霸权。”

 

要想实现量子优势,仅仅在恒温里装几块芯片是不够的,量子计算需要围绕它建设的一系列基础设施,而现在争夺这些新设备使用的算法和编程语言的竞赛已经开始。

 

目前被考虑的绝大多数算法都远远超过了量子系统的性能指标,理论远远领先于实验。尽管如此,谷歌、微软、IBM等公司都在致力于开发量子计算机的算法和语言。

 

微软开发了第一批专门用于处理各种类型量子计算机异常的编程语言Q#。谷歌的Cirq和IBM的Qiskit都是开源框架,帮助研究人员开发NISQ时代的算法。


各公司也在大力推进商业应用:IBM已经与包括埃克森美孚、巴克莱、三星在内的100多家公司展开合作;微软有Azure Quantum,允许客户接入IonQ的离子陷量子计算机和康涅狄格州QCI公司正在开发的超导量子比特。

 

即使没有可靠的硬件,量子算法也已经产生了一定影响。这些被称为“量子启发的优化算法”已经被用于交通管理、电池开发、减少分析核磁共振扫描所需时间……


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2019年,IBM推出了第一台商用量子计算机——20量子比特的IBM Q System One

博伊克索希望量子计算机能够解决我们面临的一些生存危机。“气候变化本质上是一个能源问题——能源是一个物理、化学过程,”他说。“也许,如果我们制造出可以进行模拟的工具,我们就能发起一场新的工业革命,更有效地利用能源。”

 

一台实用的、可以纠正错误的量子计算机可以改变世界,揭示关于宇宙本身的基本真理。“这不是公司与公司之间的竞争,”他说,“而是科技与自然的对抗。”

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