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而量子计算机是基于量子比特vns威尼斯城官网登入:,谷歌的一个研究小组首次通过实验

网易科技讯10月23日消息,据国外媒体报道,当地时间周三谷歌表示,已经实现“量子霸权”,这种突破可以让新型计算机以当今技术无法想象的速度进行计算。

无论是否“霸权”,量子计算机的能力还是要在实际应用的时候才能真正体现出来。根据今天发布的一篇博客文章,谷歌的团队已经在研究“近期的应用”,包括“量子物理模拟和量子化学,以及生成机器学习中的新应用”。

英国《金融时报》报道称,他们看到一家谷歌出版物声称,该公司的量子处理器可以“在3分20秒内完成一项计算,这相当于当今最先进的经典计算机Summit大约1万年的计算时间”——这证明了量子至高无上的地位。谷歌还没有回应置评请求,显然,对于何时以及如何发布这一消息,谷歌一直很谨慎。

在泄漏的论文中,谷歌描述了实验的过程。首先,谷歌用经典计算机生成了一系列量子指令,论文中称之为「量子门」,它们相当于传统计算机中的逻辑门,也就是1或0,这一系列量子指令构成了一个「量子电路」。之后,这个量子电路被发送到量子计算机,通过处于纯0状态的量子位来执行运算。因为量子计算的不确定性,这些结果会各不相同,当仍然有概率上的分布特征。最后,量子计算机会基于结果的概率分布,输出结果样本。

不过该报告后续引发了较多争议,最终并未获学界认可。

谷歌在《自然》杂志上发表的一篇论文中正式声明,其位于加州圣巴巴拉的研究实验室已经实现“量子霸权”,这也是科学家们自上世纪80年代以来一直在努力实现的目标。谷歌的量子计算机完成了传统计算机无法完成的任务。

我们为什么要关心量子霸权?量子霸权意味着什么?

这些量子设备下相较于经典计算机的独特性,决定了这将是一个重要的早期里程碑。但要让量子计算机真正证明量子的实用性,我们还有很长的路要走。这将需要研究人员增加其相干时间,并引入误差校正方案,即将多个量子位元组合成一个量子位元,以确保量子计算机输出它应该输出的答案。

谷歌的第一代量子位元控制器| Google

“量子霸权”的实现之所以重要,是因为这就代表量子计算能力从理论变成了实际,随之而来的就是新的计算能力的飞跃。

▲图示:谷歌的量子计算机

根据IBM的说法,这在很大程度上是由于谷歌的实验忽略了某些参数,包括“大量的磁盘存储”和其他“众所周知的优化方法”。

谷歌以及IBM、微软、英特尔等大型科技公司和初创企业一直在致力于建造量子计算机,这是一种基于与传统计算机完全不同架构的新型计算机。尽管这一声明不是官方的,但科学家和业界专家一直期待谷歌能够制造出一台量子计算机,能够达到这一里程碑——一台量子计算机能够执行经典计算机无法完成的计算。

谷歌的优势

据介绍,此次“量子霸权”计算研究者随后还会参与研究成果的讨论。

谷歌在其论文中说,在这种情况下,世界上最大的超级计算机需要一万年才能完成其量子计算机在3分20秒内完成的运算。科学家们将谷歌的声明比作1903年莱特兄弟的第一次飞行。这证明了一些事情确实是可能的,但可能要过很多年才能实现其潜力。

除了这些应用之外,谷歌已经证明了它的量子计算机在随机数字的生成方面是非常出色的。这听起来可能并不出奇,但随机性在计算机科学中非常有用。普雷斯基尔认为,我们还需要几十年的时间才能看到量子计算机“对社会产生变革性影响”。不过,谷歌的这篇论文可能会成为一个分水岭,为一个全新的计算时代奠定基础,从新材料的设计到更高效的肥料,任何事情可能实现——如果可以相信谷歌的话。

据称,这种量子结构可以让量子计算机解决一系列经典计算机在合理时间内无法解决的问题,包括加密学和分子建模方面的问题。但是,在相干时间内维持量子位元的量子行为的困难,阻碍了研究人员展示任何形式的量子加速。

最后,研究者将量子计算机输出的结果样本与之前经典计算机上模拟的结果进行比对,就能得出量子计算机执行计算的准确程度。谷歌之所以在此次实验中使用一台54位机,而不是最先进的73位机,就是因为随着量子计算机量子位的增多,经典计算机的算力将不足以对量子计算机的计算结果进行验证。

“量子霸权”这一概念是2011年,美国理论物理学家约翰·普瑞斯基尔(John
Preskill)提出。这里的“霸权”并非我们平时理解的“霸权主义”,量子霸权是一个专有名词,意思是在处理同一个问题时,量子计算拥有了超越所有古典(非量子)计算机的能力,实现量子计算机特有优势。在物理实验领域,由于迄今没有任何一台量子装置在实际的测试中验证这一能力,因此,谁能证明这种能力,就代表了实现“量子霸权”。

这意味着,当拥有的量子位越多,计算机的运算能力就会呈指数级增长。根据谷歌今天上传的一段视频,谷歌的Sycamore量子计算机拥有52个量子位,一次可以看到1000亿个状态。那可是相当庞大的运算量。

关于量子计算机的实际表现,我们没有很多细节,也不能独立地验证《金融时报》的报道。但先前的提议基本上讲述了量子计算机与模拟随机量子电路的经典计算机之间的比较。我们早就知道,谷歌一直在测试一款72位的设备,名为Bristecone,希望用它来实现量子霸权,这一成就并不令人意外。《金融时报》报道称,这一意义重大的实验是用一个代号为“Sycamore”的53量子位处理器来完成的。

一名正在MIT攻读量子物理博士的知乎用户「少司命」对论文进行解读后,表示谷歌的实验「在最极端的情况下,对一个53比特20个cycle的电路采样一百万次,在量子计算机上需要200秒,而用目前人类最强的经典的超级计算机,同样情况下需要一万年。」

早在2019年9月20日,谷歌曾向美国航空航天总署(NASA)提交了一份报告,称其研发的量子计算机成功在200秒时间内,完成现存最先进的传统超级计算机
Summit 需1万年时间处理的问题,全球首次实现量子霸权。

需要注意的是,量子霸权表示的是量子计算机可以解决经典计算机在合理时间范围内不能解决的问题,并不意味着量子计算机就能解决经典计算机无法完成的任务。“只要有足够的时间……经典计算机和量子计算机可以解决同样的问题,”美国克瑞顿大学的Thomas
Wong说道。

“我们始终在进一步挖掘量子计算的潜力,而显然谷歌最近量子霸权的成就更新是一个值得注意的里程碑。但实现商业上可行的量子计算机将需要跨越多个技术支柱的进步,”英特尔量子硬件主管James
Clarke表示。

去年,谷歌对外展示了一款拥有73个量子位的量子计算机,领先竞争对手IBM几乎同期公布的53位机。但在此次「量子霸权」的实验演示中,谷歌使用的是另一款更小的计算机,名为Sycamore。这是一款54位的量子处理器,但其中有一个量子位无法达到标准,所以谷歌只使用了其中53个量子位执行采样计算任务。

谷歌在《自然》的论文中表示,这次“量子霸权”实验中,谷歌使用了规模较小的54比特Sycamore计算机。该计算机能够在200秒内完成世界上最强大的超级计算机花费10000年所需的随机数计算量,这让目前所有传统计算机相形见绌。

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