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谷歌开发通用量子计算机取得重要突破

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来源: 作者: 2019-04-17 04:09:55

D-Wave的量子计算机芯片

过去30年,研究人员一直试图开发能解决任何计算问题的通用量子计算机。目前,来自美国加州和西班牙的一支团队开发了一款原型装备,能解决物理和化学领域的多种问题,而未来还有可能被应用至更广泛的领域。

IBM和加拿大公司D-Wave此前利用不同方式开发了可提供一定功能的量子计算机。但是,这样的装备没法扩大至更多量子位,从而解决传统计算机没法解决的问题。

来自加州圣芭芭拉谷歌研究实验室的计算机科学家,以及加州大学圣芭芭拉分校和西班牙巴斯克大学的物理学家近期在《自然》杂志上介绍了他们的最新装备。

南加州大学量子计算专家丹尼尔 利达尔(Daniel Lidar)表示: 从许多方面来看,这都是出色的成果,吸取了量子计算行业许多有价值的经验。

谷歌的原型产品结合了两种量子计算技术。其中一种技术使用针对特定问题、有着特殊排列的量子位去设计计算机数字电路。这类似于传统微处理器中的订制数字电路。

量子计算理论的很大一部分基于这类技术。这其中也包括避免计算结果偏离的误差修正方法。不过到目前为止,基于这种技术的量子计算机只限于几个量子位。

另一种技术称作 绝热量子计算(AQC) 。计算机将特定问题编码为一组量子位,并逐步调剂这些量子位之间的互动,以 塑造 共同的量子态,得出解决方案。从理论上来讲,任何问题都可以被编码为一组量子位。

谷歌团队的计算机科学家拉米 巴伦兹(Rami Barends)表示,这种技术受到随机噪声效应的限制,而这种效应会引入系统没法修正的误差。另外,这类技术也无法保证有效地解决任何问题。

不过,全球首款商用的量子计算装备正是基于AQC技术。这款产品来自英国公司D-Wave,价格约1500万美元。谷歌也拥有一台D-Wave的装备。不过,巴伦兹及其同事认为,有更好的方式去利用AQC技术。

他们希望找到某种误差修正方式。如果没有误差修正,那么利用AQC技术去扩大计算范围将非常困难,因为在更大的系统中,误差的积累将会很快。该团队认为,实现这1目标的第一步是将AQC技术与数字方法中的误差修正技术结合在一起。

在研究中,谷歌的团队采用了9个固态量子位。这些量子位由十字形的铝制薄膜制成,宽度约为400微米。随后,这些量子位被固定在蓝宝石表面上。研究人员将这些铝制薄膜的温度降低至0.02开尔文(约零下273摄氏度),使金属成为超导体,电阻完全消失。利用这些超导态的量子位,研究人员可以向其中编码信息。

相邻量子位的互动由 逻辑门 控制。逻辑门利用数字方式去操控量子位,使其进入某种状态,从而得出问题的解。在演示中,研究人员对量子位进行排列,使其摹拟有着一定自旋态的磁性原子阵列。这样的问题已在凝聚态物理中得到了充分研究。研究人员随后可以通过量子位去确定总势能最低的原子自旋态组合。

对传统计算机来说,这是个非常简单的问题。不过,谷歌的新装备也可以处理所谓的 non-stoquastic 问题,而这是传统计算机做不到的。这其中包括对多个电子互动的模拟,这以往需要准确的化学计算机摹拟。从量子层面模拟份子和其他物质将是量子计算最有价值的运用。

利达尔表示,这种新方法将使量子计算机可以进行量子误差修正。尽管研究人员尚未做出证明,但该团队此前表示,在9个量子位的装备上可以做到这点。

谷歌团队的另外一名成员阿里雷扎 沙巴尼(Alireza Shabani)表示: 凭仗误差修正,我们的技术可以成为通用算法,从而拓展至任意的大型量子计算机。

谷歌的装备目前基本上停留在原型产品阶段。不过利达尔表示,在未来几年中,超过40个量子位的设备将成为现实。

他表示: 届时,对量子动力学的摹拟将成为可能,而这是传统硬件做不到的。这意味着 量子霸权 的到来。

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