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谷歌实现量子霸权,《自然》:谷歌量子霸权使用可编程超导处理器

更新时间:2019-12-22 13:42点击:

  量子计算机应用的前景十分光明,相比经典处理器,某些计算任务在量子处理器上执行的速度可能成倍提高。但是人类科技面临的一个基本的挑战是,需要构建一种能够在指数级大的计算空间中运行量子算法的高保真处理器。

  现在谷歌确认给我们带来了一个好消息,他们的量子计算机是第一个完成传统计算机几乎不可能完成计算的计算机。一种名为Sycamore的超冷量子处理器可以在数秒钟内完成计算,而世界上最大的超级计算机需要1万年才能完成。

  今年9月,英国《金融时报》和其他媒体首先报道了谷歌量子霸权的消息。此前与谷歌在量子计算领域合作的美国宇航局局网站上泄露了这篇论文的早期版本,随后该论文被迅速撤下,当时谷歌并没有对此发表评论。

  现在谷歌的研究结果本周三正式发表在《自然》杂志上,我们终于可以详细了解谷歌的最新成果了。加州大学圣巴巴拉分校和加州山景城谷歌实验室的实验物理学家约翰·马提尼斯领导的团队进行了该项研究。

  这种利用量子计算来获得超越经典计算的结果的能力被称为“霸权”,自从对该主题的研究开始以来,这种“霸权”能力一直是量子计算的理论优势。谷歌使用了一个可编程超导量子位2,3,4,5,6,7的处理器来创建53个量子位上的量子态,它相当于253维的计算状态空间。《自然》杂志的论文称,由谷歌设计和制作的Sycamore处理器包含一个由54个透射量子位组成的二维阵列,每个量子位可调谐地与它的四个近邻耦合。量子位以9×6交错排列。

  重复实验的测量样本对概率分布进行取样,并且经过可经典的模拟验证。谷歌的Sycamore处理器大约需要200秒的时间来采样一个量子电路的实例一百万次。谷歌目前的基准测试表明,对于一个最先进的经典超级计算机,同样的任务大约需要1万年。与所有已知的经典算法相比,这种速度的显著提高是针对此特定计算任务的量子霸权8、9、10、11、12、13、14的实验实现,预示着一个人们期待已久的计算范例的诞生。

  20世纪80年代早期,理查德·费曼提出量子计算机将是解决物理和化学问题的有效工具,因为用经典计算机模拟大型量子系统的成本是指数级的。想要实现费曼的设想需要大量的实验和理论挑战。

  首先,需要设计一个量子系统,能够在一个足够大的希尔伯特计算空间中以足够低的错误率来提供量子加速;其次,我们能否提出一个对经典计算机来说很难但对量子计算机来说容易的问题?

  通过在超导量子位处理器上计算这样一个基准任务,谷歌解决了以上两个问题。谷歌的实验实现了量子霸权,这是迈向全尺度量子计算 8、9、10、11、12、13、14的里程碑。在达到这一里程碑的过程中,谷歌证明了量子加速在真实世界的系统中是可以实现的,并且不受任何隐藏的物理定律的限制。

  量子霸权也预示着嘈杂的中级量子(NISQ)技术时代的到来。谷歌演示的基准测试任务可以立即应用于生成可认证的随机数;这种新的计算能力的其他最初用途可能包括优化16、17、机器学习18、19、20、21、材料科学和化学22、23、24。然而要实现量子计算的全部前景,例如使用Shor的因式分解算法,仍然需要技术飞跃来设计容错逻辑量子位25、26、27、28、29。

  在谷歌报告提及的开发测试和基准测试阶段之后,谷歌研究团队一直忙于准备在量子物理模拟和量子化学以及机器学习领域的应用。

  长期以来,量子霸权一直被科学家视为一个里程碑事件,因为它证明了量子计算机可以超越经典计算机。虽然这一优势现在只在一个非常具体的例子中得到了证明,但它向物理学家表明,量子力学在处理复杂问题时是按预期工作的。谷歌给了我们第一个实验证据,证明量子加速在真实世界的系统中是可以实现的。

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