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媒体近距离接触谷歌量子计算机:还要解决哪些问题

【人工智能网】

10月28日音讯,据外媒报导,谷歌不久前宣称胜利完成了“量子霸权”(Quantum Supremacy),推出包含53个有效量子比特的处置惩罚器Sycamore,“对一个量子电路发生的随机数字采样100万次”的盘算使命,谷歌量子盘算机只须要200秒,而天下最强超算Summit须要1万年。为了证实谷歌量子盘算机到底有多奇异,科技记者尼尔·萨维奇(Neil Savage)日前亲自支配体验了一把,并称就像变把戏。

 

记者亲自感觉:量子盘算机那里差别

 

在谷歌位于美国加州戈莱塔(Goleta)相似车库的试验室里,我站在庞大的触摸屏前,用手指在显现屏上挪动包含X、Y、H和其他神奇标记的小方块。这些方块代表的是可以在一个量子比特上实行的函数,而量子比特则位于四周的银色大圆柱体内。在无数函数中,有些会使比特从1翻转到0,或从0翻转到1。

 

显现屏上的另一个正方形显现了量子比特的状况,它看起来像是在球体内的棒棒糖。当“棒棒糖”挪动时,它旁边的数字在1.0000到0.0000之间振荡。这是量子比特的刚强之一:它们没必要像二进制位中那样要么是1要么是0,而是可以在介于两者之间的状况存在。这类“叠加”特征许可每一个量子比特一次不止实行一次盘算,而是以一种看起来迥殊奇异的体式格局加快盘算。

 

只管量子比特的终究读数依然是1或0,但一切这些中心步骤的存在意味着传统盘算机很难或不可以举行相似的盘算。关于门外汉来讲,这个历程可以看起来有点儿像把戏,招招手、轻触触摸屏,然后从量子帽中拉出一只兔子。谷歌约请我和其他记者来到这里,旨在揭开这个把戏的神奇面纱,以证实它基本不具有魔力。

 

在屏幕的右半部份,迂回的线条显现与在量子比特上实行的函数相对应的波形。在这个部份的旁边是个台式打印机大小的盒子,它将这些波形作为电脉冲经由过程电线发送到银色圆柱体中。假如圆柱体翻开,你会看到里面有六层腔室,层层分列,就像用金属丝装潢的、倒置过来的婚礼蛋糕。每层腔室都被冷却到比其上面腔室温度低很多的水平;最下面一层到达0.015开氏度(-273.135摄氏度),险些仅是外层空间的1/200。

这些腔室都是真空的,不受光和热的影响,否则会损坏玄妙的量子比特,这些量子比特位于一切导线末尾的芯片上,在阴郁和严寒中被断绝。每一个量子比特的直径约为0.2毫米,经由过程一般显微镜可以看到。然则经由冷冻和避过外部影响后,每一个量子比特都变成了超导体,让电子自在活动,就好像它成了单原子,可以用量子力学定律决议其行动。

 

强度恰当的微波脉冲促使量子比特振动。当两个相邻的量子比特到达雷同的共振频次时,它们就会互相胶葛,这是另一种量子力学属性,这意味着丈量一个量子比特的状况也会让你相识另一个量子比特的状况。差别频次的电磁脉冲会引起量子比特翻转。

 

各方指摘:“量子霸权”有意义吗?

 

谷歌的量子软件工程师克雷格·吉德尼(Craig Gidney)示意,“量子盘算机更像是装有一串钟摆的盒子。我和其他在腔室外发送信号的人正在拉动钟摆的弦,经由过程转变它们的摆动幅度来实行差别的逻辑运算。”

 

谷歌的量子团队称,一切这些严寒和振动让其获得了量子霸权,让量子盘算机可以做一般盘算机没法做到的事变。在本周宣布在《天然》杂志上的论文中,谷歌工程师形貌了他们用来证实量子霸权的基准试验。他们的顺序运转在50多个量子比特上,搜检量子随机数发生器的输出。

 

谷歌量子人工智能试验室司理哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)说,有些指摘人士埋怨这是个工资题目,只适用于有限的现实应用顺序。对此,奈文辩驳称:“Sputnik(人类第一颗人造卫星)也没有太多现实用处,它只是绕着地球扭转。但是,它代表着太空时代的最先!”

 

芝加哥大学专注于量子信息工程的凝聚态物理学家戴维·奥沙洛姆(David Awschalom)没有介入这项研讨,但他赞同谷歌项目处置惩罚了一个异常特别的题目,并补充说,谷歌不能宣称本身具有了通用量子盘算机。他说,通用量子盘算机可以须要100万个量子位元,而且还须要很多年才完成。但他置信,谷歌的团队已完成了主要的里程碑,为其他科学家获得打破奠基了基本。

 

谷歌的量子盘算芯片被称为Sycamore,运用了53个量子比特来完成其效果,芯片上第54个量子比特涌现了毛病。Sycamore的目的是随机发生1和0的字符串,每一个量子比特可发生253比特字符串(也就是约莫9.700199254740992千万亿位字符串)。由于量子位互相作用的体式格局,有些字符串比其他字符串更有可以涌现。

 

Sycamore运转数字生成器100万次,然后对效果举行采样,得出任何给定字符串涌现的几率。谷歌团队还在橡树岭国度试验室的超等盘算机Summit上运转了一个更简朴的测试版本,然后依据这些效果举行外推,以考证Sycamore的输出。新的芯片在200秒内完成了使命。研讨人员预计,一样的运算须要消费Summit上万年的时候。

 

但是,IBM的研讨人员上周早些时候宣布论文,称在抱负条件下,运用分外的内存存储,Summit可以在两天半内完成上述使命。IBM也在致力于拓荒量子盘算,该公司科学家们在IBM Research博客上写道:“由于加州理工学院理论物理学家约翰·普雷斯基尔(John Preskill)在2012年提出的‘量子霸权’这个术语的最初寄义,是为了形貌量子盘算机可以做典范盘算机没法做到的事变,明显谷歌量子盘算机还没有迈过这个门坎。”因而,或许谷歌获得的造诣可以贴上“量子上风”的标签。

 

但德克萨斯大学奥斯汀分校理论盘算机科学家斯科特·阿隆森(Scott Aaronson)示意,说量子霸权还没有完成并不完全准确,毕竟Sycamore的速率比Summit快很多。跟着谷歌体系中量子比特数目的增进,其盘算才能将呈指数级增进。从53个量子比特增加到60个量子比特将使该公司量子盘算机的盘算才能相称于33台Summit。在到达70个量子比特时,相似Summit的传统超等盘算机可以要变得与都市大小相称才具有一样的处置惩罚才能。

 

阿隆森还示意,谷歌所获得的造诣可以已有了些意想不到的实用价值。谷歌的体系可以用来发生被量子物理定律证实为随机的数字。比方,该应用顺序可以会发生比人类或传统盘算机所能供应的暗码强很多的暗码。

 

阿隆森认可:“我如今不肯定,争辩它是不是获得了‘霸权’是不是准确。”他说,量子盘算范畴还没有就比较差别量子盘算机的最好体式格局杀青一致,迥殊是那些建立在差别技术上的量子盘算机。只管IBM和谷歌都在运用超导体来建立它们的量子比特,但另一种方法依赖于捕捉离子,即带电原子悬浮在真空中,并由激光束支配。IBM提出了一种称为“量子体积”的器量规范,个中包含诸如量子比特实行盘算的速率以及它们防止或改正毛病的才能等要素。

谷歌还要处置惩罚哪些题目?

 

事实上,纠错是量子盘算机科学家必需控制的,如许他们才制造出真正有效的装备,迥殊是包含数千个量子比特的装备。研讨人员说,到那时,机械可以对化学反应举行细致的模仿,这可以会促使新的药物或更好的太阳能电池涌现。而且他们还可以疾速破解最常用于庇护互联网数据的暗码。

 

不过,要想到达这类机能,量子盘算机必需可以自我改正,找到并修复其支配中的毛病。当一个量子比特自觉地从1翻转到0,或许当它的量子叠加由于外部天下的滋扰而衰减时,就会涌现毛病。谷歌的量子比特现在在衰变前持续约10微秒。项目研讨人员玛丽莎·朱斯蒂娜(Marissa Giustina)说:“它们的寿命是有限的。它们异常软弱,当与周围环境互相作用时,我们可以就会落空量子信息。”

 

传统盘算机经由过程冗余来处置惩罚纠错题目,经由过程丈量电容器中的单个电子而不是数万个电子来决议数字位是开照样关。相反,量子比特本质上是几率题目,所以试图将它们群集在一起实行批量丈量是行不通的。谷歌正在拓荒一种统计方法来改正毛病,加州大学圣巴巴拉分校物理学家约翰·马蒂尼斯(John Martinis)与该公司合作拓荒了Sycamore。他示意,到现在为止,开端效果显现,没有任何迹象表明毛病改正变得越来越好。看起来,这个项目还会继续下去。

 

与此同时,谷歌的工程师将致力于革新他们的量子比特,以发生更少的毛病,这也可以许可更多的量子比特互相干联。他们还愿望减少链子盘算机的控制箱体积,每一个控制箱可以处置惩罚20个量子比特及其相干电路,因而须要三个控制箱才运转Sycamore的53个量子比特。假如他们的体系增进到约莫1000个量子比特,其冷却需求将凌驾那些庞大银色圆柱体的容量。

 

在谷歌处置量子硬件和架构事情的朱利安·凯利(Julian Kelly)示意,该公司的声明首先是一项工程造诣,但它可以会拓荒一片未拓荒的范畴。他说:“我们已证实了量子硬件可以做些极为难题的事变,我们正在之前没有人可以举行试验的范畴开展业务。不过,这类提高发生的影响还不肯定,毕竟我们也才方才迈入这道门坎儿。”

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