量子比特好奇的量子计算


量子计算机可以改变世界。很遗憾他们如此困惑。Cathal o 'connell 准备了这份简短的入门书。


量子计算 -- 潜力巨大,但需要学习。

MEHAU KULYK/GETTY IMAGES

什么是量子计算?

常规计算机按照严格的逻辑规则操作。但是微小的量子物体 -- 比如电子或光子 -- 可以打破这些规则

量子计算的理念是,我们可以用这种量子规则突破来以一种新的方式处理信息 -- 这种方式与普通计算机的工作方式完全不同。在某些情况下,这使得它们比任何普通计算机都快得多。

例如,一台量子计算机可以很容易地破解保护网上银行安全的代码。

像超级计算机一样?

不完全是。量子计算机不仅仅是一台 “更快” 的计算机。有一些特定的任务 -- 比如分解非常大的数字 -- 量子计算机会非常擅长。(这就是代码破解的来源 -- 见下文。)但是对于大多数工作来说,量子计算机不会比普通计算机好多少。

那么量子计算机可以用来做什么呢?

它们可能对政府机构、研发公司和大学解决当前计算机面临的问题最有用。

物理学家理查德 · 费曼在 1981年提出的第一个实际想法是使用量子计算机来模拟量子力学。这会影响化学和生物学。例如,化学家可以准确地模拟药物相互作用,生物学家可以研究蛋白质相互折叠和相互作用的所有可能方式。

虽然量子计算机曾经是学术上的好奇心,但 1994年,当美国数学家彼得 · 肖尔 (Peter Shor) 找到了一种使用量子计算机破解密码的方法时,人们的兴趣爆发了。

目前,许多在线安全系统运行的原则是,几乎不可能获取大量数据并找出其主要因素。普通电脑所能做的就是一个接一个地尝试各种可能性 -- 这项任务可能需要数十亿年。使用肖尔算法,量子计算机可以在几个小时内完成这项任务。

量子计算机在识别数据模式方面也非常出色 -- 对于机器学习问题很有用,比如能够识别图像中的不同物体。他们可能非常擅长建立预测未来的模型,比如长期天气预报。

但最终,量子计算的使用是不可预测的。考虑到 1943年,IBM 的总裁托马斯 · 沃森说,“我认为世界市场可能有 5 台电脑。” 现在每个家庭都有 5 台。

如果先例可以作为指导的话,我们还没有想象量子计算机的用途会是什么。

量子计算是如何工作的?

普通计算机是基于 “位” 的 -- 把它们想象成指向 1 或 0 的小开关。

量子计算依赖于量子位,或 “量子位”,也可以代表 0 或 1。疯狂的是,量子位也可以实现混合状态,称为 “叠加”,它们同时是 1 和 0。这种歧义 -- “是” 和 “不是” 的能力-是量子计算能力的关键。

叠加如何帮助?

普通计算机和量子计算机的区别归结为它们是如何处理问题的。

一台普通的电脑试图解决一个问题,就像你试图逃离迷宫一样 -- 尝试每一个可能的走廊,在死胡同里回头,直到你最终找到出路。但是叠加允许量子计算机一次尝试所有的路径 -- 本质上,找到捷径。

计算机中的两位可以处于四种可能的状态 (00 、 01 、 10 或 11),但在任何时候都只能处于一种状态。这限制了计算机一次只能处理一个输入 (比如尝试迷宫中的一条走廊)。

在量子计算机中,两个量子位也可以代表完全相同的四种状态 (00 、 01 、 10 或 11)。不同的是,由于叠加,量子位可以同时代表所有四个。这有点像四台普通电脑并排运行。

如果你向普通计算机添加更多的位,它仍然一次只能处理一个状态。但是当你添加量子位时,你的量子计算机的力量呈指数级增长。对于数学倾向,我们可以说,如果你有 “n” 量子位,你可以同时表示 2n状态。)

这就像一个古老的寓言,讲述了一个叫 Sessa 的古印度人发明了国际象棋。国王对这个游戏很满意,并要求 Sessa 说出他的奖励。Sessa 谦卑地要求一个棋盘,第一个方块上有一粒小麦,第二个方块上有两粒,第三个方块上有四粒,以此类推。国王立刻同意了,没有意识到他已经承诺带走比地球上更多的小麦。这就是指数增长的力量。

就像 Sessa 的小麦每增加一倍一样,每增加一个量子位,处理能力就会增加一倍。三个量子位给你 23,这是八个状态同时; 四个量子位给你 24,也就是 16。64 个量子位?他们给你 264,这是 18,446,744,073,709,600,000 种可能性!这大约是 100万兆字节。

而 64 个规则位也可以代表这个巨大的数字 (264) 的状态,它一次只能代表一个。以每秒 20亿的速度 (这是现代个人电脑的典型速度) 在所有这些组合中循环,大约需要 400 年。

所有这些都意味着量子计算机可以解决对经典计算机来说 “实际上不可能” 的问题。

但是为了获得指数速度,所有量子位的命运必须在一个叫做量子纠缠的过程中联系在一起。这种奇怪的现象,爱因斯坦称之为 “远距离的幽灵行为”,可以连接量子粒子,即使它们位于宇宙的两端。

什么构成量子位?

要制作一个量子位,你需要一个物体,它可以在两个状态之间获得量子叠加状态。

原子核是一种量子位。它的磁矩的方向 (它是 “自旋”) 可以指向不同的方向,比如相对于磁场向上或向下。

面临的挑战是放置然后定位那个单个原子。

新南威尔士大学的米歇尔 · 西蒙斯领导的澳大利亚团队通过在硅晶体内的一个已知位置放置一个磷原子来制造原子量子位。

另一个想法是剥去原子上的电子,然后把它变成离子。然后你可以利用电磁场将离子悬浮在自由空间,向它发射激光来改变它的状态。这就形成了一个 “捕获的离子” 量子计算机。

超导金属回路中的电流也可以是叠加的 (顺时针和逆时针之间),有点像同时向前和向后运行的小型跑步机。

光的光子可以在它波动的方向上叠加。一些小组通过在光纤和镜子的迷宫中发送光子来组装量子电路。

你如何创造叠加?

你曾经尝试过平衡硬币的边缘吗?这就是编程量子位的样子。它包括对量子位做一些事情,这样,在某种意义上,它最终会在国家之间 “平衡”。

在原子核的情况下,这可能是通过用电场或磁场将原子核光晕,从而使原子核以相同的概率以这样或那样的方式旋转。

那么你如何从量子位中读取信息呢?

量子计算过程中发生的事情有一种神秘的气氛。更多的出路物理学家将量子位描述为一种与平行世界的量子关联来预测答案。

但这不是魔法,只是量子力学。

假设你的新 64 比特量子计算机已经启动并运行,进行第一次计算。你将所有 64 个量子位叠加,就像 64 个硬币都在边缘平衡一样。他们总共有 264 个可能的州处于不确定状态。你知道其中一个州代表正确的答案。但是哪一个呢?

问题是,读取量子位会导致叠加崩溃 -- 就像用那些平衡的硬币猛击桌子一样。

这就是像 Shor 这样的量子算法派上用场的地方。它加载量子位以使它们更有可能落在正确的一边,并给我们正确的答案。

量子计算机已经建成了吗?

显然是的,尽管他们中没有人能做任何超过传统计算机的事情。

在过去的三年里,量子计算取得了巨大的进步。虽然在 2016年自然杂志是庆祝谷歌研究人员开发的九量子位计算机。十八个月后,在 2017年12月,IBM已报告他们的 50 量子位量子计算机。四个月内,谷歌凭借其 72 量子比特再次遥遥领先刚毛量子计算机。与此同时,IBM 生产出了第一台商用量子计算机 -- 为他们的 20 量子位提供云访问Q 系统一体机,一个价格。

尽管一些物理学家怀疑 D-Wave 已经建立了一个真正的量子计算机,但 D-Wave 仍然远远领先于使用 2000 个超导环作为量子位的创造。

所有的大玩家都有下一个重要的里程碑: “量子至上”。这意味着量子计算机解决的问题超出了经典机器的能力。理论上,这应该是可能的 50-qubit 机器,但只有当错误率足够低。


为什么建造一台量子计算机如此困难?

从组装量子位到在量子位上读取和写入信息,再到来回传递信息而不因一股不确定性而消失,各个层面都存在挑战。

量子位是终极女主角。虽然好莱坞明星可能需要一个巨大的更衣室和一个装满玫瑰花瓣的浴缸,但量子位需要完美的隔离和设定在绝对零度百分之一的恒温器。附近原子最轻微的振动会导致量子位抛出量子论,并失去其叠加。

最重要的困难是如何保持叠加和纠缠的微妙状态足够长的时间来运行计算 -- 所谓的相干时间。

尽管面临这一艰巨的挑战, 建造第一台实用量子计算机的竞赛已经成为我们这个时代的重大科学挑战之一 -- 涉及分布在全球数十个研究机构的数千名物理学家和工程师。

  1. https://www.nature.com/news/google-moves-closer-to-a-universal-quantum-computer-1.20032
  2. https://www.technologyreview.com/s/609451/ibm-raises-the-bar-with-a-50-qubit-quantum-computer/
  3. https://ai.googleblog.com/2018/03/a-preview-of-bristlecone-googles-new.html
  4. https://www.businessinsider.com.au/ibm-unveils-ibm-q-system-one-the-first-commercial-quantum-computer-2019-1?r=US&IR=T
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