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用量子计算访谈量子计算Scott Aaronson
,理论计算机科学家和David J. Bruton Jr.德克萨斯大学奥斯汀分校计算机科学百年教授。他的主要研究领域是量子计算和计算复杂性理论。

Scott blogged about this
和我们采访的其他部分 - 他的博客非常受欢迎,并且有比这更多的评论 -check it out
.

Transcript

Scott Aaronson:
好的 - 嗨,我是Scott Aaronson。我是德克萨斯大学奥斯汀分校的计算机科学教授,我的主要兴趣是量子计算机的能力和极限,更广泛地说是计算机科学和物理学必须互相告知的。而且我对此感兴趣,因为它很难不成为 - 因为作为一个少年,我似乎很清楚,宇宙是一个巨大的视频游戏,它只是服从某些规则,所以如果我真的想了解宇宙也许我可以忽略物理学的细节,只考虑计算。

但随着量子计算的诞生和20世纪90年代中期的戏剧性发现(如Shor的算法,可以算出巨大的数字),很明显物理实际上改变了计算的基本规则 - 所以这就像我觉得的那样了解。 20年后,我们仍然试图理解它,我们也可以构建一些能够胜过经典计算机的设备,即量子计算机,并用它们做一些有趣的事情。

但对我来说,这真的只是锦上添花;我真的只想了解事情是如何融合在一起的。好吧,当我第一次听说量子计算的时候说实话(我想从90年代中期读到一些关于Shor的算法的流行文章,这个文章最近才被发现),我的第一反应是听起来像是明显的h ;;这听起来像是一些物理学家,他们只是不了解计算的第一件事 - 而且他们只是发明了一些物理建议,听起来它只是并行地尝试了所有可能的解决方案。但是这些东西都不会扩展,而在计算机科学领域,已有数十年的经验;人们说:那你为什么不用一堆镜子建造一台电脑呢?还是用肥皂泡?或使用折叠蛋白?

在纸面上有各种各样的想法,他们可以在一段线性的时间内评估指数数量的解决方案,但它们总是有点理想化的东西?因此,当你仔细检查它们时,你会发现能量或量表的数量会以指数方式向你发展,或者你需要测量的精确度会呈指数精确,或者某些东西变得完全不切实际 - 我认为同样的必须适用于量子计算。但为了确保我必须阅读有关它的一些内容。

所以,当我在贝尔实验室工作一个夏天,从事与量子计算无关的工作时,我的老板非常好,让我花一些时间学习和阅读量子计算的基础知识 - 那就是对我来说真的是一个启示,因为我接受量子力学是真实的。它与计算的基本原理具有相当的重要性 - 你可以说图灵的原理 - 它正是可以修改其中一些原则的东西。但我认为最令人惊讶的是,尽管我不是一个没有任何技能的物理学家,但他不具备偏微分方程或物理学家的其他工具,我实际上可以理解量子力学。

最终要学习量子计算机如何工作的基本规则,并开始考虑它们有什么用处 - 量子算法和类似的东西 - 它足以熟悉向量和矩阵。所以你需要知道一些数学但不是那么多。你需要能够知道线性代数,这就是它。

而且我觉得这是一种隐藏在几乎所有热门文章中的秘密;它们听起来像量子力学就是这种无意义的反直觉的东西。它是:粒子可以同时在两个地方,一只猫可以既死又活着,直到你看到它,然后为什么这不仅仅是一个好看的方式说好猫还活着还是死了你不要知道哪一个直到你看 - 他们从来没有完全解释那个部分,并且粒子可以在远处产生怪异的动作并瞬间相互影响,并且粒子可以穿过墙壁!这一切听起来毫无希望地晦涩难懂,你知道任何不是物理学博士学位的人都无法理解它。

但问题的真相是,这是一个违反直觉的驼峰,你必须克服哪些是概率规则的某种变化或概括 - 一旦你得到了那么所有其他事情只是不同的方式谈论那个变化的不同表现形式。特别是量子计算机只是一台计算机,它试图利用物理学家在20世纪20年代发现的概率规则的这一变化来解释我们的世界。所以这对我来说真的是一个启示 - 即使你是计算机科学家也是数学人;那些不是物理学家的人实际上可以学习这一点并开始为此做出贡献 - 是的!

Adam Ford:
所以有趣的是,当你试图追求一个想法时,实践会妨碍我们 - 我们试图在不考虑实际的情况下达到理想 - 他们感觉自己就像敌人一样。我们应该让理想成为实际的敌人吗?

Scott Aaronson
:我认为从一开始就很清楚,量子计算有一个理论分支,你可以假设你拥有尽可能多的量子比特(量子比特),它们是完美的;他们与他们的环境保持完全隔离,你可以在他们可能喜欢的地方进行任何本地操作,然后你只需研究你需要多少次操作来计算一个数字,或者解决其他一些具有实际意义的问题。而理论分支实际上是我在这个领域开始的分支,从那时起我就一直在那里。

然后是实用的分支,它要求实际构建一个实例化该理论的器件需要什么 - 我们必须有量子位,实际上是电子的能级,或原子核的自旋态,或者否则以某种方式在物理世界中实例化。他们会吵闹,他们将与他们的环境互动 - 我们将不得不采取英勇的努力,使他们与他们的环境保持足够的隔离 - 这是维持他们的叠加状态所必需的。我们怎么做?

那么我们需要某种花哨的纠错码来做到这一点,然后还有理论上的问题,但你如何设计这些纠正码?

但也存在一些实际问题:如何设计一个错误率足够低的系统,甚至可以使用这些代码;如果你试图应用它们,你不会只是创造比你修复更多的错误。量子比特的物理基础应该是什么?它应该是超导线圈吗?它应该是被困在磁场中的离子吗?它应该是光子吗?它应该是一些新的拓扑物质状态吗?实际上,所有这四个提案和其他许多提案现在都在追求!

所以我要说,直到最近这个领域,就像五年前左右一样,理论和实践的分支我们彼此相互脱节;可以这么说,他们永远不是敌人。我的意思是我们有时会互相嘲笑,但我们从来都不是敌人。整个领域总体上升或下降,我们都知道。但是我们只是没有很多东西可以科学地互相说出来,因为实验主义者我们只是试图让一两个量子比特工作得很好,他们甚至做不到那么多,我们理论家就是思考 - 假设你有十亿肘或一些任意数字,你能做什么?即便如此,还有什么难以做到的?

我的很多工作实际上都是关于量子计算机的局限性,但我也想说研究一下即使使用没有的计算机也无法做到的事情。而且直到最近,实验主义者才最终使量子比特在隔离状态下工作得很好,所以现在最终开始扩大规模是有道理的 - 还不到百万个量子比特但可能是50个量子比特,可能是60个,也许是一百个。这恰好是什么

谷歌,IBM和英特尔以及一些创业公司正在努力做到这一点。他们中的一些人希望在未来一两年内拥有设备,可能会或可能不会做任何有用的事情,但如果一切顺利,我们希望至少能够做一些有趣的事情 - 从某种意义上说挑战古典计算机进行模拟,至少证明了我们可以用这种方式做的事情超出了传统计算机的作用。

因此,大多数细节实验主义者现在实际上正在与我们的理论家交谈,因为现在他们需要知道 - 不仅仅是作为一种求知欲,而是一个相当紧迫的实际问题 - 一旦我们得到50或100肘部工作我们用它们做什么?我们如何处理它们首先你知道难以经典地模拟?你有多确定没有快速的经典方法来做同样的事情?我们如何验证我们是否真的完成了它,并且它是否有用

for anything?

理想情况下,他们希望我们提出实际符合他们正在构建的硬件限制的建议,你可以说你知道最终这些都不重要,最终量子程序员应该能够付出很少的注意力对于硬件而言,经典程序员必须担心当今晶体管的细节。

但是在不久的将来,当我们只有50或100肘时,你将不得不最大限度地利用你所拥有的每一个量子比特,并且硬件的实际细节将变得重要,结果是甚至我们理论家也必须以前所未有的方式了解这些细节。

在过去的几年里,这个领域的理论和实践分支已经融合在一起对我来说非常令人兴奋。

Adam Ford
:所以你认为我们将在不久的将来拥有与量子计算功能编程相同的东西?

Scott Aaronson
:实际上,量子编程语言的设计确实有相当多的工作。现在实际上有很多人可以下载并试用,如果你愿意的话。有一个名为Quipper,还有一个叫做微软的Q#,还有其他几个。当然我们还没有非常好的硬件来运行程序,大多数情况下你可以在经典模拟中运行它们,这自然只适用于大约30或40肘,然后它变得太慢。但是如果你想获得量子编程的一些经验,你今天就可以尝试这些东西,而且他们中的许多人确实试图提供更高级别的功能,所以你不只是做汇编语言编程的量子模拟,而是你可以在更高级别的模块中思考,或者您可以在功能上进行编程。我会说在量子算法中我们大多只是在做理论而我们没有实现任何东西,但我们必须学会这样思考。如果我们不得不考虑每个单独的量子比特,每个单独的一个或两个操作

量子比特,我们永远不会得到很远的权利?所以我们必须用更高层次的术语来思考,比如我们知道可以做的某些模块 - 其中一个称为量子傅里叶变换,这实际上是Shor着名的数字分解算法的核心(它还有其他应用)以及)。另一个被称为振幅放大,这是Grover着名的搜索长长数字列表算法的核心

在你需要经典的步骤数的平方根,这也就像量子算法设计原语,我们可以插入一个黑盒子,它有很多应用程序。

所以我们在这些更高级别的术语中思考,但是有一组不同于更高级别的抽象,而不是经典计算 - 因此你必须学习这些。但分解复杂的基本思路

通过将其分解为与量子计算完全相同的子组件的问题,与在经典计算中完全相同。

Adam Ford
:你对中短期内的量子计算感到乐观吗?

Scott Aaronson
:你在问我对什么是乐观的 - 所以我的意思是我觉得这个领域取得了惊人的进步:无论是在理论方面还是在实验方面。我们还没有,但我们比十年前知道得多。十年前作为一个理论家,我最喜欢的一些开放性问题现在已经得到解决 - 其中一些在去年内 - 实际上和量子比特的硬件还不足以构建一个可扩展的量子计算机 - 感觉怀疑者可以清楚地合法地说我们还没有 - 好吧没有,我们不是 - 好吧但是:如果你看看量子比特的连贯时间,你会看看你能用它们做什么,而你将它与10年前或20年前的情况进行比较 - 已经达到了数量级的进步。所以我喜欢做的类比:Charles Babbage在19世纪20年代制定了经典计算的基本原理吗?我的意思不是像图灵以后那样严格的数学严谨,但基本的想法就在那里。他今天有一个我们称之为通用计算机设计的东西。

所以现在想象一下有人说'那么这个分析引擎什么时候会建成?它会在19世纪30年代还是一直持续到19世纪40年代?那么在这种情况下,发明一项技术 - 即晶体管 - 需要一百多年才真正完全实现巴贝奇的愿景。我的意思是真空管早先出现了,你可以说部分意识到这一点,但它不够可靠,不像晶体管那样真正可扩展。而且乐观地说,现在我们处于量子计算的早期真空管时代。我们还没有晶体管的量子计算模拟,因为人们甚至不同意哪种技术是适合扩大规模的技术。它是超导的吗?是被困的离子吗?是光子学吗?这是一个拓扑问题吗?所以他们并行追求所有这些不同的方法。每种方法的支持者都听起来像是为什么其他方法都无法扩展的令人信服的论据。我希望他们都不正确嗯嗯。人们刚才刚刚进入一个或两个量子比特孤立运行的阶段,并且尝试扩展到50或100个它们是有意义的,看看你是否可以让它们在这种规模下很好地协同工作。

所以我认为在接下来的五到十年里要注意的重要事情就是背负着"量子霸权"这个有点不幸的名字(这是在特朗普不得不说之前创造的)。但是,这只是一个术语,指的是用量子计算机做某事它不一定有用,但至少是经典的难度。所以你知道我之前说的那样,证明了你可以用经典的计算机做一些需要更长时间来模拟它的事情。谷歌和其他一些人将在未来几年内采取最佳措施。将其置于可能性范围内的原因是,如果它们运作良好,仅仅50或100肘应该已经足以让我们这样做了。原则上,您知道您可以在不需要纠错的情况下执行此操作 - 一旦您需要纠错,那么即使最简单的所谓"容错计算"可能需要数千个,您需要的资源也会大大增加物理量子比特,好吧,尽管每个人都同意,如果你想扩展以实现量子计算的真正承诺 - 或者说让威胁我们现有的密码学方法 - 那么你将需要这种容错。但我希望在未来五到十年内我们不会看到它。

如果我们确实看到它,我的意思是,这将是一个巨大的震撼 - 如果你在1939年告诉某人六年内将会有核武器,那将是一个巨大的冲击。在那种情况下,发生了一场世界大战,加速了你可以说的时间表。在这种情况下,我希望不会有一场加速这个时间表的世界大战。但我的猜测是,如果一切顺利,那么量子优势可能在未来十年内实现,我希望在那之后我们可以开始看到量子计算的一些初步应用,这可能是一些非常专业的应用;我们已经可以通过一百个非错误校正的量子比特获得的一些东西。并且必要时这些将是非常特殊的东西 - 它们可能主要是物理模拟或模拟一些简单的化学问题。

我实际上有一个拟议的近期量子计算机应用程序,它可以生成加密安全的随机数 - 你可以向怀疑论者证明的那些随机数真的是随机生成的 - 结果就像50或60的量子计算机一样应该已经足够给我们了。但真正可扩展的量子计算可能会威胁加密,并且还可能加速优化问题和类似的事情 - 这可能需要纠错 - 我可能会感到惊喜。在接下来的五到十年里,我对这一部分变得真实并不乐观,但你知道,因为每个人都喜欢乐观主义者,我想我会乐观地认为我们会朝这个方向迈出一大步,甚至可能得到在我的一生中。

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