谷歌开发通用量子计算机取得突破性进展

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D-Wave的量子计算机芯片

  过去30年,研究人员一直试图开发能解决任何计算问题的通用量子计算机。目前,来自美国加州和西班牙的一支团队开发了一款原型设备,能解决物理和化学领域的多种问题,而未来还有可能被应用至更广泛的领域。

  IBM和加拿大公司D-Wave此前利用不同方式开发了可提供一定功能的量子计算机。然而,这样的设备无法扩大至更多量子位,从而解决传统计算机无法解决的问题。

  来自加州圣芭芭拉谷歌研究实验室的计算机科学家,以及加州大学圣芭芭拉分校和西班牙巴斯克大学的物理学家近期在《自然》杂志上介绍了他们的最新设备。

  南加州大学量子计算专家丹尼尔·利达尔(Daniel Lidar)表示:“从许多方面来看,这都是出色的成果,吸取了量子计算行业许多有价值的经验。”

  谷歌的原型产品结合了两种量子计算技术。其中一种技术使用针对特定问题、有着特殊排列的量子位去设计计算机数字电路。这类似于传统微处理器中的订制数字电路。

  量子计算理论的很大一部分基于这种技术。这其中也包括避免计算结果偏离的误差修正方法。不过到目前为止,基于这种技术的量子计算机只限于几个量子位。

  另一种技术称作“绝热量子计算(AQC)”。计算机将特定问题编码为一组量子位,并逐步调整这些量子位之间的互动,以“塑造”共同的量子态,得出解决方案。从理论上来说,任何问题都可以被编码为一组量子位。

  谷歌团队的计算机科学家拉米·巴伦兹(Rami Barends)表示,这种技术受到随机噪声效应的限制,而这种效应会引入系统无法修正的误差。此外,这种技术也无法保证有效地解决任何问题。

  不过,全球首款商用的量子计算设备正是基于AQC技术。这款产品来自英国公司D-Wave,价格约1500万美元。谷歌也拥有一台D-Wave的设备。不过,巴伦兹及其同事认为,有更好的方式去利用AQC技术。

  他们希望找到某种误差修正方式。如果没有误差修正,那么利用AQC技术去扩大计算规模将非常困难,因为在更大的系统中,误差的积累将会很快。该团队认为,实现这一目标的第一步是将AQC技术与数字方法中的误差修正技术结合在一起。

  在研究中,谷歌的团队采用了9个固态量子位。这些量子位由十字形的铝制薄膜制成,宽度约为400微米。随后,这些量子位被固定在蓝宝石表面上。研究人员将这些铝制薄膜的温度降低至0.02开尔文(约零下273摄氏度),使金属成为超导体,电阻完全消失。利用这些超导态的量子位,研究人员可以向其中编码信息。

  相邻量子位的互动由“逻辑门”控制。逻辑门利用数字方式去操控量子位,使其进入某种状态,从而得出问题的解。在演示中,研究人员对量子位进行排列,使其模拟有着一定自旋态的磁性原子阵列。这样的问题已经在凝聚态物理中得到了充分研究。研究人员随后可以通过量子位去确定总势能最低的原子自旋态组合。


  对传统计算机来说,这是个非常简单的问题。不过,谷歌的新设备也可以处理所谓的“non-stoquastic”问题,而这是传统计算机做不到的。这其中包括对多个电子互动的模拟,这以往需要准确的化学计算机模拟。从量子层面模拟分子和其他物质将是量子计算最有价值的应用。

  利达尔表示,这种新方法将使量子计算机可以进行量子误差修正。尽管研究人员尚未做出证明,但该团队此前表示,在9个量子位的设备上可以做到这点。

  谷歌团队的另一名成员阿里雷扎·沙巴尼(Alireza Shabani)表示:“凭借误差修正,我们的技术可以成为通用算法,从而拓展至任意的大型量子计算机。”

  谷歌的设备目前基本上停留在原型产品阶段。不过利达尔表示,在未来几年中,超过40个量子位的设备将成为现实。

  他表示:“届时,对量子动力学的模拟将成为可能,而这是传统硬件做不到的。这意味着‘量子霸权’的到来。”

 

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