• |

使用社交賬號登陸

當前位置︰ > 觀點 > 專欄 > [維爾切克專欄]Frank Wilczek

上海市委书记召开的这个座谈会来了近50位青年

時間: 2019年06月03日 | 作者: Frank Wilczek | 來源: 環球科學(huanqiukexue.com)
第十七回 | 量子計算,從QPU開始 撰文 | 弗蘭克?維爾切克(Frank Wilczek) 翻譯 | 胡風?梁丁當 近幾年,量子計算機領域有許多重要的進展。IBM、谷歌和微軟是這些進展的主要推動者,一


image.png


第十七回 | 量子計算,從QPU開始



撰文 | 弗蘭克?維爾切克(Frank Wilczek)

翻譯 | 胡風?梁丁當



近幾年,量子計算機領域有許多重要的進展。IBM、谷歌和微軟是這些進展的主要推動者,一些大學科研團隊和國家實驗室也有重要貢獻。量子計算技術前途無量,這一點已是業界的共識。然而對于未來量子計算機具體是什麼樣子的,又將有多大的影響力,卻還沒有個清晰的說法。事實上,越來越明顯的一個趨勢是,今後將會出現規模和形式多種多樣的量子計算機,以適應不同的用途。


傳統的計算機以比特作為信息的存儲單元。一個比特有兩個狀態︰1或者0(比特的英文Bit是二進制數字,即binary digit的簡寫)。各類復雜的信息——從棋子的位置、蛋白質的結構到貓的圖片,都可以轉換成一長串比特。而量子計算機則是使用量子比特(英文簡稱為qubit)。量子比特可以是1,也可以是0,還可以是介于1和0之間某種狀態。這種狀態叫做疊加態,是1和0兩種狀態不可分解的混合。在不同的探索性量子技術中,量子比特的載體可能是單個的原子、電子、微小的超導環,或是更奇特的“任意子”(這是我提出並命名的一種準粒子)。量子比特比經典比特更加復雜,能夠存儲的信息密度也更高。


經典計算機並不適用于模擬量子系統。原因很簡單︰它們沒有足夠的空間來存儲和操作量子系統所含的信息。量子計算機應該能更好地模擬量子系統。從理論上講,它們能夠計算各類材料的性質,包括可能的催化劑、藥物、太陽能電池和蓄電池。這樣的話,我們就不用再做那些費時費力的試探性實驗了。


也有人稱,量子計算機還能充當破解密碼的工具。但是這類應用的要求非常苛刻,需要利用數千個量子比特進行精確計算。這個目標距離我們還非常遙遠,在可見的未來,通用量子計算機大致將局限在幾十個量子比特以內,並且出錯率很高。


image.png


量子比特盡管性能強大,卻很脆弱,且難以操控。在外界環境或其他粒子的干擾下,量子比特存儲的信息很容易被打亂。比如,我們都知道傳統計算機存儲器中的信息可以被強磁場消除,而量子存儲器對比那小得多的磁場都非常敏感。


相比之下,雖然量子模擬器不那麼靈活、不允許任意編程,但對于研究量子力學來說,卻是更容易實現的替代方案。這種方法的基本策略是這樣︰如果一個特定量子系統的行為很有趣但是很難通過實驗來研究,我們就利用另一個比較容易操控的量子系統來模擬它。超冷原子系統就是一種特別有用的量子模擬器,因為我們可以通過調節激光、電場和磁場來囚禁和操控原子,進而調控原子之間的相互作用。例如,我們可以用冷原子來模擬中子的行為,從而了解中子星的內部物質狀態。


經典-量子混合計算是另一個有前途的發展方向——經典計算機可以調用一個相對較小的量子“協處理器”來做一些關鍵的計算。這種協處理器的作用類似于圖形處理單元(GPU,一種能非常高效地執行一些專門運算的超高速芯片)。GPU最初是為電腦游戲而設計開發的,它們使電腦可以快速地刷新圖形顯示。但是,聰明的研究人員發現,它們還可以用在別的很多地方,特別是模擬夸克和膠子是如何形成質子的。


在大型的通用量子計算機問世——如果真有那麼一天——之前,這種經典-量子混合策略有可能使專門用于化學和材料科學的量子計算變成現實。讓量子處理單元(QPU)盡快到來吧!