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Nature:量子计算机或将在2017年走向实用化

2017-01-04 12:24:09      
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谷歌、微软以及一众的实验室和创业公司正在竞相努力将量子计算从单纯的科研项目变成可以投入生产应用的产品。


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在实现量子计算的道路上,使用被囚禁于真空中的单个离子的量子计算是发展得最快的方法之一


很长时间以来,人们都普遍认为量子计算是一种至少还需要 20 年发展才能实现应用的技术,而且这种看法似乎一直以来都没改变过。但 2017 年这项技术将有望开始延伸到单纯的科研领域之外了!


谷歌和微软这样的计算巨头最近聘请了一些这一领域内一些领先的头脑,并且为今年设定了一些有挑战性的目标。他们的勃勃雄心反映出了正发生在包含创业公司和学术研究实验室的一场范围更广的转变:量子计算从纯科研向工程应用的转变。


「人们真的造出了东西,」马里兰大学帕克分校的物理学家 Christopher Monroe 说,他在 2015 年联合创立了创业公司 IonQ,「这是前所未见的,它不再只是研究了。」


谷歌在 2014 年开始了对超导量子计算的研究。该公司希望在今年(甚至不久之后)就实现超过最强大的「经典」超级计算机的量子计算机——这也被视为实现「量子霸权(quantum supremacy)」的里程碑(参阅《重磅 | 深度揭秘谷歌「量子霸权」计划:有望明年底突破经典计算极限》)。其竞争对手微软则押注了一种有趣但仍未经证实的概念——拓扑量子计算(topological quantum computing),微软希望能够实现该计算的首次演示。


此外,量子计算创业也在升温。Monroe 今年一开始就计划开始招聘了。联合创立了 Quantum Circuits 的耶鲁大学物理学家 Robert Schoelkopf 和在加州伯克利创立了 Rigetti 的前 IBM 应用物理学家 Chad Rigetti 都表示他们预期他们很快就将达到关键的技术里程碑。


学术实验室也是类似。「我们已经证实了我们所需的所有组件和所有功能。」Schoelkopf 说,他继续在耶鲁大学带领着一个研发量子计算机的团队。他和其他研究者都表示:尽管还需要很多物理实验才能找到将这些组件结合一起的方法,但现在的主要挑战已经是工程上的了。目前带有最多量子比特(qubit)的量子计算机(带有 20 个量子比特)正在奥地利因斯布鲁克大学 Rainer Blatt 领导的一个学术实验室里面接受测试。


经典计算机将信息编码成以两种状态(0 和 1)表示的比特,而构成量子计算机的量子比特则可以以「叠加(superpositions)」的形式同时处于这两种状态。此外,量子比特还有一种被称为「纠缠(entanglement)」的能力——可以实现量子状态的共享。这些能力让量子计算机可以同时执行大量计算。而且理论上,每增加一个量子比特,这些同时执行的计算的数量就会翻倍,这可以带来指数级的加速。


这种快速性(rapidity)应该让量子计算机能够执行特定的任务,比如搜索大型数据库或大数因子分解——对于速度更慢的经典计算机来说,这样的任务有时候是不可能完成的。量子计算机也可以作为研究工具用于执行量子模拟(quantum simulations),从而让化学家可以以前所未有的详细程度理解化学反应或让物理学家可以设计出室温超导材料。


如今对如何建造量子比特有许多相竞争的设计,但还是有两个领跑者。尽管量子态因外部干扰很容易去相干,但它们都证实了量子比特具有长期储存信息的能力,并能执行逻辑计算。Schoelkopf 帮助量子计算先锋的一个方法就是将量子状态编码为超导环路中的振荡电流,这个方法也广泛被谷歌、IBM、Rigetti 和 Quantum Circuits 接受。IonQ 和几个主要的学术实验室追求的另一个方法是在真空阱(vacuum traps)中通过电磁场编码单个离子的量子比特。


John Martinis 在加州大学圣巴巴拉分校(University of California, Santa Barbara)工作,在谷歌 2014 年聘请他和他的研究团队时,他说超导技术的成熟使他的团队设定了量子霸权(quantum supremacy)的雄伟目标。


他们团队计划使用「混沌(chaotic)」量子算法来实现这一点,该算法产生如同随机输出的结果(S. Boixo et al. Preprint at https://arxiv.org/abs/1608.00263; 2016)。如果算法在由相对较少量子比特组成的量子计算机上运行,那么经典计算机就能预测其输出。该小组预测一旦量子计算机拥有接近 50 个量子比特数,那么即使是最强大的经典超级计算机也完全跟不上它的步伐。


虽然计算结果没有任何用处,但是他们将证明在有些任务上量子计算机是无可匹敌的。Martinis 说这是一个重要的的心理阀值,它会吸引潜在客户的注意力。他说:「我认为这是一个开创性的实验。」


但是 Schoelkopf 并不把量子霸权看作「很有意思和有用的目标」,部分原因是因为它避开了纠错的挑战:系统具有在受到轻微扰动后恢复其信息到量子比特的能力,这要比量子比特数量增多还要困难。相反 Quantum Circuits 关注于从一开始就搭建完全错误矫正(fully error-corrected)的机器。这就需要建造更多的量子比特数,不过机器也能够运行更复杂的量子算法。


Monroe 希望在近期实现量子霸权,但那并不是 IonQ 的主要目标。他说,这家创业公司的目标是构建带有 32 个或 64 个量子比特的机器,离子阱(ion-trap)技术让他们的设计可以比超导电路更灵活和更具扩展性。


同时,微软则押注一种仍待验证的技术。拓扑量子计算(topological quantum computing)依赖于处于激发态的物质——其通过像辫子一样互相缠绕来编码信息。和其它技术相比,存储在这种量子比特中的信息对外部扰动的抵抗力更强,使得纠错(error correction)更简单。


到目前为止,还没有人创造出这种激发所需的这种物质状态,更不要说拓扑量子比特了。但微软已经聘请了这一领域的四位领先专家,包括荷兰代尔夫特大学的 Leo Kouwenhoven——他已经创造出了貌似正确的激发类型。「我告诉我的学生 2017 年是 braiding 的一年。」Kouwenhoven 说,他将在代尔夫特大学建立一个微软实验室。


其他研究者则更为谨慎。Blatt 说:「我不做关于未来的任何新闻发布。」


位于科罗拉多州博尔德的国家标准与技术研究所的物理学家 David Wineland 领导着一个研究离子阱的实验室,他也不愿意给出明确的预测:「我对长期未来持乐观态度,但『长期』是什么意思,我不知道。」

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