解释器:什么是量子计算机?

它是如何工作的,为什么它如此强大,以及它可能最有用的地方

转到MIT Technology Review的个人资料 麻省理工学院技术评论 BlockedUnblockFollow继1月31日

照片:Justin Fantl,由Rigetti Computing提供

由马丁吉尔斯

量子计算机利用量子力学的一些近乎神秘的现象来实现处理能力的巨大飞跃。量子机器承诺甚至超过当今最有能力的---以及明天的 - 超级计算机。

但是,它们不会消灭传统的计算机。使用经典机器仍然是解决大多数问题的最简单,最经济的解决方案。但量子计算机有望在材料科学和药物研究等各个领域取得令人振奋的进展。公司已经在试验它们,以开发更轻,更强大的电动汽车电池,并帮助创造新的药物。

量子计算机能力的秘诀在于它能够生成和操纵量子比特或量子比特。

什么是量子比特?

今天的计算机使用比特 - 代表 1 秒或 0 秒的电脉冲或光脉冲流。从推文和电子邮件到iTunes歌曲和YouTube视频的所有内容都是这些二进制数字的长串。

另一方面,量子计算机使用量子位,其通常是亚原子粒子,例如电子或光子。生成和管理量子比特是一项科学和工程挑战。一些公司,如IBM,谷歌和Rigetti Computing,使用的冷却温度低于深空的超导电路。其他像IonQ一样,在超高真空室中的硅芯片上的电磁场中捕获单个原子。在这两种情况下,目标是将量子位隔离在受控量子态。

Qubits具有一些古怪的量子属性,这意味着它们的连接组可以提供比相同数量的二进制位更多的处理能力。其中一个属性称为叠加,另一个称为纠缠。

什么是叠加?

Qubits可以同时代表 10的 多种可能组合。这种同时处于多种状态的能力称为叠加。为了使量子比特重叠,研究人员使用精密激光或微波束操纵它们。

由于这种违反直觉的现象,具有多个量子比特叠加的量子计算机可以同时克服大量潜在的结果。计算的最终结果仅在测量量子位时出现,这会立即导致其量子态"崩溃"为 10

什么是纠缠?

研究人员可以生成"纠缠"的量子比特对,这意味着一对的两个成员存在于单个量子状态。改变其中一个量子位的状态将以可预测的方式瞬间改变另一个量子位的状态。即使它们被很长距离分开也会发生这种情况。

没有人真正知道如何或为什么纠缠有效。它甚至让爱因斯坦感到困惑,爱因斯坦将其描述为"远距离的幽灵行动"。但它是量子计算机力量的关键。在传统的计算机中,将位数加倍会使其处理能力加倍。但由于纠缠,向量子机器添加额外的量子比特会使其数字运算能力呈指数级增长。

量子计算机在一种量子菊花链中利用纠缠的量子比特来发挥他们的魔力。机器使用专门设计的量子算法加速计算的能力就是为什么有这么多关于它们潜力的嗡嗡声。

这是个好消息。坏消息是,由于退相干,量子计算机比传统计算机更容易出错。

什么是退相干?

量子比特与环境之间的相互作用会导致量子行为衰减并最终消失,这被称为退相干。他们的量子态非常脆弱。最轻微的振动或温度的变化 - 在量子说话中被称为"噪音"的干扰 - 可能导致它们在工作正常完成之前就会失去叠加。这就是为什么研究人员在那些过冷的冰箱和真空室中尽力保护量子不受外界影响的原因。

但是尽管他们付出了努力,噪音仍然会导致许多错误蔓延到计算中。 智能量子算法可以补偿其中的一些,并且添加更多量子比特也有帮助。但是,它可能需要数千个标准量子位才能创建一个高度可靠的量子位,称为"逻辑"量子位。这将削弱量子计算机的大量计算能力。

还有的难题是:到目前为止,研究人员一直没能产生超过128倍标准的量子位(查看我们的量子位计数器在这里 )。因此,我们距离获得广泛有用的量子计算机还有很多年的时间。

这并没有削弱开拓者希望成为第一个展示"量子至上"的希望。

什么是量子至上?

量子计算机可以完成数学计算,即使是最强大的超级计算机也无法达到这一点。

目前还不清楚究竟需要多少量子比特才能实现这一目标,因为研究人员不断寻找新算法来提升经典机器的性能,超级计算硬件也越来越好。但是,研究人员和公司要求标题都在努力, 运行测试对一些世界上最强大的超级计算机。

研究界对于实现这一里程碑的重要性有很多争论。公司已经开始尝试由IBM,Rigetti和加拿大公司D-Wave等公司制造的量子计算机,而不是等待至高无上的声明。像阿里巴巴这样的中国公司也提供量子机器。一些企业正在购买量子计算机,而另一些企业正在使用通过云计算服务提供的计算机

量子计算机在哪里可能最有用?

量子计算机最有希望的应用之一是模拟物质在分子水平上的行为 。像大众汽车和戴姆勒这样的汽车制造商正在使用量子计算机模拟电动汽车电池的化学成分,以帮助找到改善其性能的新方法。制药公司正在利用它们来分析和比较可能导致新药创造的化合物。

这些机器也非常适合优化问题,因为它们可以非常快速地处理大量潜在的解决方案。例如,空中客车公司正在使用它们帮助计算飞机最省油的上升和下降路径。大众汽车公布了一项服务,计算城市公交车和出租车的最佳路线,以尽量减少拥堵。一些研究人员还认为这些机器可用于加速人工智能

量子计算机可能需要相当长的时间才能充分发挥其潜力。从事这些工作的大学和企业正面临着该领域熟练研究人员的短缺 - 以及一些关键部件供应商缺乏 。但如果这些充满异国情调的新计算机能够实现其承诺,它们可以改变整个行业并推动全球创新。

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