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【前沿】2017技术突破盘点(四)——实用量子计算机

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发表于 2018-1-11 20:31:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 猴头 于 2018-1-11 20:31 编辑

实用量子计算机
——谷歌,英特尔和几个研究组织的进展表明,拥有以前难以想象的电源的电脑终于可以实现了

预计可用:4-5年
作者:Russ Juskalian        译自https://www.technologyreview.com/lists/technologies/2017/
在QuTech的一个实验室,一个荷兰研究学会,负责一些世界上最先进的量子计算的工作,但它看起来像一个通风管道藏在代尔夫特理工大学应用科学大楼一个安静的角落里,空间没有人。嗡嗡作响的谐波如同被一群电k occupied所占据,它被三根和四根大蓝色圆柱体上的绝缘管,电线和控制硬件缠绕在一起。

在蓝色圆柱体内部,基本上是增压式的冰箱,正在发生纳米线,半导体和超导体在绝对零度以上的头发相遇的情况。正是在物理学的极限之下,固体材料引起了所谓的准粒子,它的不寻常的行为使得它们有可能成为量子计算机的关键组成部分。特别是这个实验室已经采取了很大的步骤,最终使这些计算机成为现实。几年后,他们可以重写加密,材料科学,药物研究和人工智能。
量子计算每年都会成为这个突破性技术列表的候选人,每年我们都会得出同样的结论:还没有。事实上,多年来量子位和量子计算机主要存在于纸上,或者在脆弱的实验中来确定其可行性。(加拿大的D-Wave Systems公司一直在销售被称为量子计算机的机器,他们使用称为量子退火(quantum annealing)的专门技术。这种方法最多只适用于一套非常有限的计算,可能没有速度优于传统系统)。然而,今年,一大堆以前的理论设计正在建设之中。今年新增的还有来自Google,IBM和英特尔公司资金的增加,以及微软等公司,研究和开发实际构建工作机所需的各种技术:微电子,复杂电路和控制软件。
这个蓝色的冰箱下降到绝对零度以上,使得在其内部的小芯片上进行量子实验成为可能。在随后的照片中是来自代尔夫特实验室准备实验的场景。
代尔夫特项目由微软最近聘请的教授Leo Kouwenhoven领导,旨在克服量子计算机构建中最长期的障碍之一:量子信息的基本单位量子比特极易受到影响噪音,因此错误。为了使量子比特有用,他们必须同时实现量子叠加(一种属性,例如同时处于两种物理状态)和纠缠(一对量子比特被连接起来的现象,这样一个人发生的事情可以瞬间影响另一个,即使他们物理分离)。这些微妙的情况很容易受到最轻微的干扰,比如振动或波动的电场。
长期以来,人们一直在为构建量子计算机而努力解决这个问题,这使得解决如此复杂的问题成为可能,从而超越了当今最好的计算机。但是现在孔文霍芬和他的同事们认为,他们所创造的量子体系最终可以被固有地保护,就像绳子上的结一样稳定。Kouwenhoven说:“尽管绳子变形了,不管怎样,绳索仍然保持着结构,而且”你不会改变信息“。这样的稳定​​性可以使研究人员通过大幅降低纠错所需的计算能力来扩展量子计算机。
Kouwenhoven的工作依赖于操纵直到2012年才发现的独特的准粒子。这只是几个令人印象深刻的步骤之一。在同一个实验室里,由英特尔支持的Lieven Vandersypen展示了如何在传统的硅片上制造量子电路。

什么是量子计算机?

量子计算的核心是量子比特或量子比特,它是计算机中由晶体管代表的类似于0和1的基本信息单位。由于具有两个独特的性质,比特经常具有比经典比特更多的功率:它们可以同时代表1和0,并且可以通过被称为量子纠缠的现象影响其他量子比特。这让量子计算机能够在某些类型的计算中找到正确的答案。

量子计算机将特别适合分解大量数据(可以很容易破解当今的许多加密技术,并可能提供无法替代的解决方案),解决复杂的优化问题,并执行机器学习算法。将会有没有人设想的应用程序。

不过,不久之后,我们可以更好地了解他们可以做些什么。到目前为止,研究人员已经构建了完全可编程的五比特计算机和更脆弱的10到20比特测试系统。这两种机器都没有多大的能力。但是Google的量子计算工作负责人Harmut Neven表示,他的团队目标是一年后建立一个49-qubit系统。大约50个量子位的目标不是任意的。这是一个被称为量子优势的门槛,超越这个门槛,没有一个经典的超级计算机能够处理模拟量子对应所需的存储器和通信带宽的指数增长。换句话说,顶尖的超级计算机系统目前可以做五到二十个量子位量子计算机的所有相同的事情,但是在大约50个量子位上,这实际上是不可能的。


所有与我交谈过的学术和公司量子研究人员都同意,量子计算机开始具有商业价值的地方,在30到100个量子比特之间,特别是量子比特稳定得足以进行更长时间的广泛计算。而且,从现在开始的两到五年之后,这样的系统很可能会出售。最终,预计100,000个量子位系统将会破坏材料,化学和药物工业,为发现新材料和新药提供准确的分子模型。还有一百万物理量子位系统,其通用计算应用程序仍难以理解?Neven说,“十年内”是可以想象的。


照片来自:Mathijs Labadie和Russ Juskalian
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