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量子计算机开始解决实际问题只是时间问题

在这张照片中,IBM科学家斯特凡·菲利普(Stefan Filipp)仔细观察了低温冰箱,该冰箱将使量子比特的温度低于外层空间最深处的温度。
位于瑞士苏黎世的IBM科学家与纽约IBM TJ沃森实验室的同事合作,正在建立自己的量子研究实验室。 在这张照片中,IBM科学家斯特凡·菲利普(Stefan Filipp)仔细观察了低温冰箱,该冰箱将使量子比特的温度低于外层空间最深处的温度。 (照片:IBM Research)

Google的Sycamore 53-qubit量子机器为计算的新时代打开了大门。

不,量子计算还没有成熟 Google的美国梧桐,这是一台53量子位计算机,可以在200秒内解决一个问题,这甚至需要一台超级计算机10,000几年。 相反,这是第一步,表明可以使用量子计算机完成功能计算,并且确实比常规计算机更快地解决了一类特殊问题。 这并不是说量子计算机已经取代了经典计算机。 量子至上的炒作具有误导性,因为它基于非常狭义的量子至上的定义。 量子霸权是一台量子计算机,胜过所有经典计算机,完成一项特殊构造的任务。

对于科幻小说迷来说,坏消息是它不会取代我们目前的计算机,而只会对特殊的问题有用。 它的构造要求仅在特殊环境中才能产生的条件,例如超低温。 我们不会将其戴在袖子上或在手机上使用。 至少现在还没有,并且不是今天的物理学! 我们所有互联网协议和全球金融交易所基于的加密算法都是安全的,至少目前是这样。

然而,这是向前迈出的一大步,各国和公司正在花费数十亿美元,因为他们相信这将打开目前已经关闭的计算领域。 这是解决特定问题的第一个示例,即使这是一个非常特殊的问题,也是专门为量子计算创建的。 这样的问题可能会扩展到现实世界:它们可能与创造新颖的材料,新的药物以攻击自身免疫性疾病和不同类型的癌症有关。 这些发现可能会影响人类对最佳太空建筑材料的理解,或者提供对我们尚无法治疗的多种疾病或疗法的见解。

密码学家一直在恐惧量子霸权。 在世界范围内,所有互联网协议,金融交易和基于区块链的系统(例如,比特币)都通过加密工作。 借助量子计算机,当前所有的加密技术,包括流行 RSA 私有-公钥系统很容易被破坏,这对依赖这种加密系统的国家和金融机构来说是一场噩梦。 当然,可以创建可以承受这种量子工具的新系统,但要付出巨大的代价。

NASA的研究人员似乎无意中加载了研究的草稿版本 从Google团队进入NASA服务器获取技术论文。 碰巧的是,Google学术搜索会定期搜索此类服务器,并将此论文的存在告知全球的量子研究人员。 是Google超越了Google未发表的论文!

谷歌的AI Quantum和合作者合着的论文“使用可编程超导处理器的量子优势”现在已从NASA服务器上删除,但是这只猫已经脱颖而出。

量子计算机与传统计算机有何不同?

我们所有日常使用的计算机(“古典计算机”)都以0或1的形式存储信息(False = 0,True = 1)。 量子计算机具有量子位,即量子位,它们利用叠加的量子现象同时处于两种不同的状态。 这允许量子计算机具有更多的状态,因此比经典计算机具有更多的信息。

经典计算机位和量子位之间的第二个区别是量子现象具有另一种特性,即纠缠。 每个量子位与其他量子位纠缠在一起,从而导致它们可能在一起的状态要比它们各自单独存在的状态更多。 换句话说,与传统位相比,相同数量的qubit可以处理更多的可能性,因此可以更快地计算出特定类别的问题。 这种计算的优点在于问题的大小并不重要:量子位共同作用于较大的问题,几乎像处理较小的问题一样快。

亚原子世界中的物理学定律(量子物理学)不同于我们熟悉的日常物理学。 理查德·费曼教授首先提出的量子计算机的可能性是,基于量子原理运行的计算机将解决物理和化学领域的量子世界问题。 这意味着,如果我们试图在计算机上模拟量子现象,那么在合理的时间内计算量子世界的唯一方法就是在量子现象(即量子计算机)上构建机器本身。 实质上,这是费恩曼(Feynman)进行的一项思想实验,旨在说明为什么基于经典物理学的计算机上的量子模拟在量子物理学中不起作用。

那么,为什么基于经典物理学的机器不能在量子现象上工作呢? 简而言之,此类系统的计算将随着系统的大小(或将来要计算的系统的状态达到多大)而呈指数增长。 理解量子世界中未来状态的任何努力都没有确定的答案,而是概率的分布,这正是量子计算机提供其结果的方式。

尽管量子计算机在处理大量问题上具有优势,但由于量子现象的性质以及存在量子位的极端环境(接近零),环境中的任何细微变化或干扰都会产生噪声,这意味着在计算中引入错误。 因此,量子计算机需要一种纠错机制,为此任务需要额外的量子比特。 鉴于量子位环境是非常困难的环境,这可能需要相当大量的量子位来进行纠错。 顺便说一下,包括传统计算机在内的所有数字通信也都需要纠错。 这里的问题是我们必须为纠错留出的量子比特数。

古典计算机将不会被量子计算机所取代; 它们是一种补充技术。 它们处理的问题与传统计算机不同,特别是处理概率而不是确定的解决方案的问题。 这些也是至少在任何合理的时间范围内,经典计算机无法解决的问题。

那么这样的机器有什么用呢? 让我们看看另一面。 查尔斯·巴贝奇,“计算机之父”曾经使用带有机械设备的机器,这些机器可以进行编程以解决数学问题。 该技术是各种机械设备,可以根据“程序”执行单独的算术运算,并解决难以手动解决的问题。 但是它们制造成本太高,而且运行起来繁琐。 在我们掌握了真空管技术以及后来的电子电路技术之后,正是巴贝奇机器现在变成了实际的计算机。 花了大约一百年的时间。 当前的量子比特技术类似于巴贝奇机器。 因此,未来将两者结合起来:经典处理器和量子处理器的组合,以便可以将问题分为其经典部分和量子部分。

目前,所有政府都在对其数字基础架构进行防黑客攻击和使用 量子通讯 以此目的。 至少如果有地缘政治愿望,任何国家都不会落伍-但目前只有美国和中国是该领域的重要参与者。

美国目前在与Google竞争中遥遥领先, IBM构建50-qubit 建筑,其他则紧随其后。 加拿大的D-Wave Systems公司拥有功能正常的2,048-qubit系统,并且正在建造 更大的5,000-qubit机器。 但是这些只能解决一类特殊的问题,它们不是别人正在建造的可编程通用量子计算机。 中国人在量子计算机竞赛中落后于美国及其公司,但已经取得了成就 功能性的18量子位纠缠,另一种量子计算方法和 24-qubit机器。 中国在这一领域确实有更多的研究人员,而且 大量的专利和研究论文。 所有其他探索量子计算机的国家,包括欧盟和印度,都仅花费美国和中国花费的一小部分。

Google的最新举措将量子计算(或一种嵌入不确定性的技术)推向了我们的大门。 它何时以及如何进入仍有待观察。 但这不再是是否,而是何时的问题。


本文是由合作伙伴制作的 Newsclick 周游世界,独立媒体研究所的一个项目。

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Prabir Purkayastha

Prabir Purkayastha是该杂志的创始人和主编 Newsclick。 他是印度自由软件运动的主席,并且是工程师和科学活动家。

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1评论

  1. 拉里N斯托特 10-2019-XNUMX

    不幸的是,无法计算智人的长期未来。

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