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假如谷歌的“量子优越性”是一场革命,我们还应该知道什么?

发布时间:2019-11-05 17:13 所属栏目:[评测] 来源:camel
导读:本文转自雷锋网,如需转载请至雷锋网官网申请授权。 2019年10月23日或许将是人类史上值得纪念的日子,但也可能不是。在这一天,谷歌正式在《Nature》上发表了他们关于验证量子优越性(即在特定任务上量子计算机远远优于传统计算机)的论文,并被Nature放在

本文转自雷锋网,如需转载请至雷锋网官网申请授权。

2019年10月23日或许将是人类史上值得纪念的日子,但也可能不是。在这一天,谷歌正式在《Nature》上发表了他们关于验证“量子优越性”(即在特定任务上量子计算机远远优于传统计算机)的论文,并被Nature放在期刊封面。在这篇论文中,谷歌声称他们用54个量子比特的数组达到了量子优越性,在200秒内完成规定操作,而相同的运算在当今世界最大的超算summit上则需要10000年才能完成。

假如谷歌的“量子优越性”是一场革命,我们还应该知道什么?

谷歌CEO桑达尔·皮查伊(Sundar Pichai)为此撰文表示,这项工作是人类首次在实验上验证了“量子优越性”,它在量子计算的历史上将具有里程碑的意义,因为它意味着量子计算的时代将会到来。皮查伊将这项研究比作莱特兄弟的首飞,虽然当时的飞行器非常简陋,飞行时间只持续了12秒,完全没有实用价值,但这却是人类迈向天空的第一步,随之而来的是人类征服了整个天空。

如果这真的是一场革命而非宣传性的哗众取宠,如果量子计算的时代将会到来,那么我们应当知道些什么?

一、原理

量子计算最早是由物理学家费曼80年代早期在一次演讲中提出的,不同于传统的计算机,量子计算机用来存储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作。

抽象来讲,传统计算机就是一个“对输入信号序列按照一定算法进行变换的机器,其算法由计算机内部逻辑电路实现”[1]。例如输入信号序列为“0”,对其进行“非”操作,NOT(0) = 1。这种逻辑方式对我们来讲是非常容易理解的,正像牛顿力学来源于经验一样,传统计算机的逻辑方式与我们日常经验的“要么是(1),要么非(0),非的反面为是(NOT(0) = 1)”吻合。

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然而我们的日常生活也并非完全的“是”“非”分明,往往则是“是”中有“非”,“非”中有“是”,“是”或“非”只是事态的两个极端。在量子力学中,正是这种思维。

量子力学中常用“态”(这是一个希尔伯特空间的向量)来描述一个系统。例如传统计算机的输入序列01,用量子力学的语言描述即|01>。传统计算机中态与态(向量与向量)之间只能是正交的,例如|01>与|00>不可能同时出现,这本质上就是或“是”或“非”的观点。显然对于这些正交态的操作也必须是正交的变换。

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然而在量子计算机中,扩展了传统计算机原有的限制。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述(这样才能有确定的离散态),如二能级系统(qubits)。对于具有两比特的量子计算机来讲,其输入态的表示为

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也即这四种状态可以是同时存在的(取决于前面的系数,你可以简单理解为四个相互正交的向量之间的叠加)。由于表示上没有限制,在量子计算机中的变换(即量子计算)则包括了所有可能的正变换。得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的统计测量,从而便可以得到计算结果。

从以上对比可以看出,传统计算机中的状态只是量子计算机中多个叠加分量中的一个,传统计算机上一次只能对其中一个分量进行一次操作(A),例如A |00> = |01>。然而量子计算机上的每一次操作同时作用在所有的叠加分量上,

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所有这些传统计算可以同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来,给出量子计算机的输出结果。这便是量子并行计算。

假如谷歌的“量子优越性”是一场革命,我们还应该知道什么?

可以做个类别,传统计算机在半导体器件就像是一个单一的乐器,一个拍子一个声音;而量子计算机则是一个交响乐团,一个拍子可以同时发出许多高低不同、音色不同的声音。[1]

按照这种逻辑,如果是一个10位元的量子计算机,它的一次操作便等同于传统计算机1024(2^10)次操作。当位元数增大时,这种比例还要以指数级增长,例如一个40位元的量子计算机,就能在很短时间内解开1024位元计算机花上数十年解决的问题。

为开拓出量子计算机巨大的并行处理能力,必须寻找适用于这种量子计算的有效算法,毕竟算法是计算的灵魂。

1994年,Shor开发除了第一个量子算法,可以用多项式的复杂度进行大数因子分解,可以在秒的时间量级上实现1000位数的因子分解,而同样的问题在传统计算机上可能需要10^25年才能完成。

1997年Grover发现了一个真正有实用价值的量子算法,即所谓的量子搜索算法,可以平方根地加速无序数据库的搜索,从100万个无序电话号码中平均只需要操作1000次便可以获得正确答案,而经典的方法则平均需要50万次。

这些算法显示出量子计算机具有超越经典计算机的强大功能,立即引起了学术界和西方国家的国防安全部门的重视,这也极大地推动了量子计算机研究的发展,从此量子计算机的研究也成为了国际上持续的前沿研究领域。

二、技术路线

对于稍微了解量子力学的人来讲,量子计算机的原理都是非常简单的。但是如何去设计并制造出这样一台能够实用的量子计算机呢?这给相关的研究人员提出了巨大的实验上和理论上的挑战。

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