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量子计算跳出局限,能有多少可能?

文/陈根

1900年,普朗克在论文里首次提出了能量的不连续性,一脚踢开了量子力学的大门。在量子世界里,所有物质都可以被还原成61种基本粒子。其中最重的基本粒子,质量也不超过3.1×10^-25千克。

20世纪40年代,图灵精确定义了算法的含义,并描述了我们现在所称的图灵机(Turing machine):可以执行任何算法的单一通用可编程计算设备。此后,计算机逐渐发展成为了一个产业,并深刻改变了我们的生活。

1981 年,著名物理学家费曼观察到基于图灵模型的普通计算机在模拟量子力学系统时遇到的诸多困难,进而提出了经典计算机模拟量子系统的设想。当量子物理与计算机器狭路相逢,1985年,通用量子计算机概念终于诞生。

自此,量子力学进入了快速转化为真正的社会技术的进程,人类在量子计算应用发展的道路上行进的速度也越来越快。如今,量子计算离我们已不再遥远。

从经典计算到量子计算

通常来说,量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式,它与现有计算模式完全不同。在理解量子计算的概念时,通常将它与经典计算相比较。

在经典计算机中,信息的基本单位是位(Bit)。所有这些计算机所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式,以及 0s 和 1s 的简单操作。

与传统计算机由比特构成的方式类似,量子计算机由量子比特(quantum bits)或量子位(qubits)构成,一个量子比特对应一个状态(state)。但是,比特的状态是一个数字(0 或 1),而量子比特的状态是一个向量。更具体地说,量子位的状态是二维向量空间中的向量。这个向量空间称为状态空间。

经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算,而二进制总是处于0或1的确定状态。于是,量子计算借助量子力学的叠加特性,能够实现计算状态的叠加。即不仅包含0和1,还包含0和1同时存在的叠加态(superposition)。

普通计算机中的2位寄存器一次只能存储一个二进制数(00、01、10、11中的一个),而量子计算机中的2位量子比特寄存器可以同时保持所有4个状态的叠加。当量子比特的数量为n个时,量子处理器对n个量子位执行一个操作就相当于对经典位执行2n个操作。

此外,加上量子纠缠的特性,量子计算机相较于当前使用最强算法的经典计算机,理论上将在一些具体问题上有更快的处理速度和更强的处理能力。

近年来,量子计算技术与产业呈现加速发展态势,而有关量子计算技术的突破多与三个因素有关,即量子比特能够维持量子态的时间长度、量子系统中连接在一起的量子比特的数量和对量子系统出错的把握。

量子比特能够维持量子态的时间长度,被称为量子比特相干时间。其维持“叠加态”(量子比特同时代表1和0)时间越长,它能够处理的程序步骤就越多,因而可以进行的计算就越复杂。其中,IBM率先将量子技术引入实用计算系统,将量子比特相干时间提高到了100微秒。而当量子比特相干时间达到毫秒级时,将足以支持一台能够解决当今“经典”机器解决不了的问题的计算机。

从量子系统中连接在一起的量子比特的数量突破来看,2019年10月,谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54个量子位处理器Sycamore,实现了量子优越性。具体来说,Sycamore能够在200秒内完成规定操作,而相同的运算量在当今世界最大的超级计算机Summit上则需要1万年才能完成。这项工作是人类历史上首次在实验环境中验证了量子优越性,也被《Nature》认为在量子计算的历史上具有里程碑意义。

除了解决量子比特的数量问题,由于当量子比特失去相干性时,信息就会丢失,因此量子计算技术还需要面临如何去控制,以及如何去读取量子比特。然后在读取和控制达到比较高的保真度之后,去对量子系统做量子纠错的操作。

基于此,研究人员借鉴经典计算机里面纠错的概念,来确保最后总的等效的量子操作,可以达到比较高的保真度,开发了所谓的量子纠错。当然,现阶段的量子纠错还需要突破规模的门槛,但显然不再是遥遥无期。

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