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量子計算機或今年走出實驗室
 

量子計算機或今年走出實驗室

  長期以來,量子計算被認為是20年以后才會實現的技術。但是,2017年可能是該領域改變其“僅限于研究”的一年。計算巨頭谷歌和微軟最近聘請了大量“重量級”人物,并且為今年設置了一些具有挑戰性的目標。它們的野心反映了量子計算正在從純科學轉變到工程建造。“人們是真的在建設一些東西!盜onQ公司聯合創始人、美國馬里蘭大學物理學家Chris-topherMonroe說,“我從來沒見到過這樣的現象,量子計算已經不僅僅是科學研究了!《自然》雜志報道稱,谷歌在2014年就開始研究基于超導性的量子計算機。它希望在今年或者稍晚時候,開發出的量子計算機能超越最強大的“傳統”計算機——這一里程碑被命名為量子霸業。而其競爭對手微軟,則把賭注押在了一個吸引人但還未經驗證的概念——拓撲量子計算上,并希望首先實現這一技術。量子計算初創企業也是一片火熱。美國Monroe計劃在2017年初啟動一輪招聘。耶魯大學物理學家、初創企業QuantumCircuits的聯合創始人RobertSchoelkopf以及IBM應用物理學家、Rigetti創始人ChadRigetti則表示,他們很快會實現關鍵技術的突破。學術實驗室也處在類似的拐點!拔覀円呀泴λ杞M件和所有功能進行了演示!盨choelkopf說。但Schoelkopf等人認為,雖然讓所有組件共同工作還需要進行一系列物理實驗,但現在最主要的挑戰是在工程上。目前,最大量子位的量子計算機,已經開始在學術實驗室中進行測試。例如,在奧地利因斯布魯克大學,由RainerBlatt領導的研究小組就在進行此類研究。

  傳統的量子計算機把信息轉化成量子位進行編碼,有兩種狀態:0或1。但組成量子計算機的量子位也可能會處于疊加狀態,也就是同時處于1或者同時處于0。而這種疊加,加上量子位分享量子狀態的能力(糾纏),能夠讓計算機立刻執行任何形式的計算。而且,從理論上說,計算的數字是每一個增加的量子位的兩倍,這會帶來計算速度的指數級增長。這種速度能讓量子計算機執行任何具體的任務,例如在大型的數據庫中進行搜索,這些在速度較慢的傳統計算機中可能無法實現。量子計算機也可以變成一個研究工具:演示量子模擬,讓化學家使用此前沒有預料到的細節理解反應,或者讓物理學設計出能夠在室溫下實現超導的材料。而關于如何建造量子位,目前有許多建議。不過,兩個主要的方法逐漸脫穎而出,這要歸功于其儲存信息的能力和不斷增長的持續時間。雖然它們的量子狀態還很容易受到外部條件的干擾,并且在量子邏輯門運算上也有困難。其中一個方法是Schoelkopf參與提倡的,得到谷歌、IBM、Rigetti和QuantumCircuits的采用。該方法涉及在超導循環中,把量子狀態當成振蕩波流進行編碼。另一個方法是IonQ和一些主要實驗室青睞的,即把量子位編碼為單一的離子,并將其置于真空聚集槽的電磁場中。

  在2014年帶領團隊一起加入谷歌的加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校的JohnMartinis說,超導技術的成熟讓他的團隊可以對量子霸業設置一個大膽的目標。Martinis團隊計劃使用一個“混亂的”量子算法實現這一目標。這一算法的產出看起來像一個隨機的輸出。但如果該算法在一個由相對較少的量子位組成的量子計算機上運行,則一個傳統的機器也能預測最后的輸出,而一旦量子機器的量子位接近50,即使是大型的傳統超級計算機也難以企及。這一計算的結果可能沒什么用,但是他們的嘗試說明了,現在有一些任務是量子計算機無法攻克的。Martinis說:“我們想,這會是一個對未來有重要意義的實驗!但Schoelkopf并沒有把量子霸業看成是一個“非常有趣或者有用的目標”,部分原因是它避開了糾錯的挑戰:系統在外部環境對量子位輕微擾動后恢復其信息流動的能力,這一過程隨著量子位數量的增加而變得越來越難。反之,QuantumCircuits從一開始就打造能糾錯的機器。這要求建立更多的量子位,機器也能夠運行更加復雜的量子算法。Monroe則希望能盡快實現量子霸業,但這并不是IonQ的主要目標。這家初創企業的目標是建造擁有32或者64個量子位的計算機,相對超導電流技術,其離子阱技術也會讓設計變得更靈活、更可擴展。同時,微軟的拓撲量子計算依賴于物質間的刺激,即通過量子位之間的糾纏進行信息編碼。儲存在這些量子位中的信息對外部的干擾會有更強的抵抗力,同時也能讓糾錯變得更容易。但沒有人能夠創造出這種刺激所需的物質狀態,更不用說拓撲量子比特。但微軟已經雇用到該領域4位領軍人物,包括荷蘭代爾夫特大學的LeoKouwenhoven,他創造出似乎是正確的刺激類型。

  “我跟我的學生說,2017年是轉折之年!盞ouwenhoven說!(據《中國科學報》)

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