「量子霸權」論文讓 Google 與 IBM 槓上,但量子計算到底是什麼?

作者 | 發布日期 2019 年 10 月 24 日 23:16 | 分類 Google , 尖端科技 , 科技教育 follow us in feedly


10 月 23 日,《Nature》正式刊登 Google「實現量子霸權」論文──《使用程式化超導處理器的量子霸權》。這篇論文曾在一個月前洩漏,但很快就刪掉了。

「量子優越性」是指量子電腦可完成古典電腦(當今主流電腦)無法做到的事。此概念最早由加州理工學院理論物理教授 John Preskill 在 2012 年提出。

理論上,只要給予足夠時間,古典電腦可解決任何能計算的問題。因此,「量子優越性」的標準是在同一個計算工作上,量子電腦比古典電腦有顯著(等比級數)加速。

Google 論文顯示,他們製造出 53 個量子位元數的量子電腦,計算能力超過古典超級電腦。同樣的計算量,量子電腦用 200 秒就完成了,目前最強的古典超級電腦,要花費 1 萬年才能完成。

IBM 的研究人員有不同看法。10 月 21 日,IBM 研究人員發文質疑 Google 的實驗方法:Google 在估算古典超級電腦需 1 萬年計算有問題,IBM 的方法可讓超算在 2.5 天內以更高傳真度完成相同計算工作,這還是「保守、最壞情況的估計」,其他研究能進一步減少時間。

不管是 1 萬年還是 2.5 天,量子電腦的速度都遠超過古典電腦,背後關鍵原因是量子並列計算。解釋量子並列計算,要從量子屬性說起。

「量子」不是具體指某種粒子,而是量子世界中物質客體的總稱,可以是光子、電子、原子、原子核、基本粒子等微觀粒子,也可以是宏觀範圍下的量子系統,比如「薛丁格的貓」。

日常經驗中,宏觀世界物體的物理量和狀態在某個時刻總是確定。如一顆燈泡要麼是開的,要麼是關的,不可能同時是開著又是關著。

但在量子世界裡,「開著又關著的燈泡」存在,因為量子有疊加態。量子疊加是指,一個量子系統可處在不同量子態的疊加態上。簡言之,就是兩種狀態疊加在一起。

「薛丁格的貓」就是解釋量子疊加的思想實驗:把貓關在一個不透明的箱子裡,箱子裡有個裝置會釋放毒氣。如果不開箱子觀察(測量),貓就陷於死/活的疊加狀態。

除了疊加態,量子還有另一個重要特徴:量子糾纏。量子糾纏是指,兩個粒子即使相隔數光年之遙,也有相互聯繫的特徴。

▲ 首張量子糾纏圖片。(Source:格拉斯大學)

1981 年,美國物理學家查德·費曼提出,原則上,人們可以設計一種電腦,透過量子力學特徴工作,模擬量子系統並採用量子方程式得到解答。由於量子系統有天然並列處理能力,用它達成目標的電腦很可能遠遠超越古典電腦。

古典電腦的資訊單位是位元,一般用 0 和 1 表示。一個位元,要麼是 0,要麼是 1。量子電腦的資訊單位是「量子位元」(qubit)。上面說到,量子有疊加態特徴,因此量子位元可以同時是 0 和 1。

有人比喻:古典位元是 「開關」,只有開和關兩個狀態(0 和 1),量子位元是 「旋鈕」,就像收音機調頻旋鈕,有無窮多種狀態。古典電腦透過操縱古典位元運算,量子電腦是操縱量子位元,本質上就是旋轉它們。

由於疊加特徴,讓量子電腦具備強大的並列計算能力。設計量子電腦時,通常會利用量子糾纏特徴,讓一個粒子和其他粒子糾纏,進一步提升並列計算能力。簡言之,利用量子疊加和量子糾纏可使計算能力以等比級數增長。

製造量子電腦不是容易的事。由於量子位元的量子態非常脆弱,打造量子電腦主要困難之一是保持量子態在超低溫狀態。「雜訊」的最輕微震動或溫度擾動變化,都可能導致粒子在工作正常完成之前就發生量子行為衰減,這稱為「退相干」(Decoherence)現象。

因此量子電腦必須在極低溫條件下工作,以盡力保護量子位元不受外界環境影響。其次,因量子位元的不穩定性,量子計算的精準度也有問題,傳真度不高。

不少研究人員都認為,Google 的成果推動量子計算往前走了一大步,但大家都很清楚,量子計算的應用還是非常有限。

目前,古典電腦仍然是解決大多數問題最簡單、最經濟的方案。而量子電腦適用於材料科學、藥物研究和密碼學等領域,有公司已在試驗應用於汽車業和製藥業。此外,機器學習核心的最佳化過程與量子計算是天作之合,Google 花這麼大力氣研發量子電腦,也就不奇怪了。

(本文由 PingWest 授權轉載;首圖來源:Google

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