期刊信息
曾用名:量子电子学
主办:中国光学学会基础光学专业委员会;中国科学院合肥物质科学家研究院
主管:中国科学院
ISSN:1007-5461
CN:34-1163/TN
语言:中文
周期:双月
影响因子:0.365217
数据库收录:
文摘杂志;北大核心期刊(2000版);北大核心期刊(2004版);北大核心期刊(2008版);北大核心期刊(2011版);北大核心期刊(2014版);北大核心期刊(2017版);化学文摘(网络版);中国科学引文数据库(2011-2012);中国科学引文数据库(2013-2014);中国科学引文数据库(2015-2016);中国科学引文数据库(2017-2018);中国科学引文数据库(2019-2020);日本科学技术振兴机构数据库;中国科技核心期刊;期刊分类:无线电电子学;物理学
期刊热词:
学术活动_第十三届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集
别高兴太早,研发量子计算机的难度你想象不到(3)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】更过分的是,即便是计算结果,你都是没办法直接读出来的。比如,我们用量子计算机,来计算抛出硬币后,正面和背面出现的概率。量子计算机计算得出
更过分的是,即便是计算结果,你都是没办法直接读出来的。比如,我们用量子计算机,来计算抛出硬币后,正面和背面出现的概率。量子计算机计算得出了 50% 这个结论。但是,这个结论却没办法输出出来。因为我们只要尝试读出结果,就会导致波函数坍缩。结果也就从正确的 50%,变成了不是 1,就是 0 的确定答案了。
科学家们为了正确地获得计算结果,竟然要把同一个计算重复上万遍,然后再把这上万个具体的 0 或者 1 统计一遍,才能重新得出 50% 这个计算结果。
另外一个严重影响量子计算的因素,是量子比特很难保持住量子纠缠的状态。量子纠缠状态又被称为相干性。一组纠缠在一起的量子中,只要有一个受到干扰,那么整组量子就会一起失去相干性,这种现象叫做退相干。相干性可以把量子比特的状态互相绑定在一起,这是实现量子算法的物理基础。而退相干则会让量子算法彻底失效。
2020 年 7 月 20 日,日本东北大学和悉尼新南威尔士大学的一项联合研究,把量子比特维持量子态或相干性的时间延长到了 10 毫秒 。这个成绩比以前的最好成绩,足足提高了 倍[4]。
图:研究人员采用的核心技术--基于受体的自旋轨道量子位(艺术概念图)
现在你应该大致了解,谷歌公司是在何等艰苦的条件下,完成了对二氮稀分子的模拟了吧。他们必须在千分之几毫秒的时间内,把二氮稀的演化算法重复上万遍。而且,他们必须要用大量冗余的量子比特来处理信息,以防某一个量子比特因为波函数坍缩而失去了计算能力。这就是 53 量子比特的量子计算机,只能拿出 12 个有效的量子比特来进行计算的真正原因。
量子计算机的设计难度
很多人喜欢拿经典计算机的摩尔定律来套量子计算机。他们以为去年制造出了 53 量子比特的量子计算机,今年就应该把指标提高到 106 量子比特,后年就应该是 212 个量子比特。其实,大部分人都低估了量子计算机的设计难度。
经典计算机的芯片之所以能符合摩尔定律,是因为制造芯片的技术储备已经成熟,只差技术细节的积累和突破了。但是量子计算机的处境却完全不一样。我们只是确认了量子计算机的设计理论正确无误,但是却没能确定,量子计算机该走什么样的技术路线。
用经典计算机来打个比方。这就好比我们已经知道制造计算机是可行的,但是我们还没发明出电子管和晶体管来。这时候,到底用哪种机械装置来实现计算机,就是一个大问题了。现在量子计算机所处的阶段,大概就相当于发明了手摇加法器的年代。
你还真别觉得夸张,现在至少有 20 种不同的量子计算机制造方案。每一种方案,都在某一个方向上具有一点独特的优势。
比如,通过小型超导电路制造的超导量子计算机,有着比较容易创建量子比特的优势。现在谷歌和IBM用的都是这个方案。但是,超导量子计算机也有明显的劣势,那就是必须要维持一个低温超导环境,才能够顺利地运行。而且,这些量子比特也比较容易受到噪声的干扰。
微软公司比较热衷于制造拓扑量子计算机,根据这项技术的数学理论,这种技术方案可以有效地抵抗外界噪声,延缓坍缩和退相干的发生。不过,这项研究目前仍然处在数学阶段,还没有真实的计算机造出来[5]。
图:拓扑量子计算理论模型
除此以外,还有依靠电磁场控制带电离子的离子阱量子计算机、依靠光学设备控制光子的光量子计算机。
每一种设计方案,都有自己独特的优点。目前,还没有任何一种方案,能够力压群雄,最终胜出。
在过去的几年里[6],美国、英国、加拿大等国家对量子计算机的研发投入超过了 10 亿美元,德国、俄罗斯和荷兰等国在量子计算上也投入了数亿美元。但是,很显然,在一个具体的技术方向确定之前,这些巨额的投资被各种各样不同的方案分散了。
目前看来,虽然比较领先的谷歌和 IBM 走的都是超导量子计算机的路线,但从这两家公司目前遇到的困境来看,我们仍然不能肯定,这就是那个最优的解决方案。
宇宙射线或将锁死量子计算机的未来
麻省理工学院最近的一项研究表示[7],噪声干扰导致的量子比特退相干问题,很可能成为当前量子计算机技术发展的天花板。麻省理工学院林肯实验室的研究员奥利弗教授说:“在过去的20年里,我们就像剥洋葱一样,把引起量子比特退相干的因素一个一个地解决掉。到现在,除了周围的环境辐射以外,已经没有太多的事情可以做了。”
文章来源:《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1109/362.html
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