如何理解“量子霸权”

在2019年10月24日,《自然》杂志刊发了Google公司的一篇论文,Google宣称率先实现了“量子霸权”,在量子研究和信息学领域都引发了大量讨论。关于量子计算机,早在20世纪80年代初期就有研究人员提出量子计算的思想,在长达40年时间里,关于量子计算机的研究也从未停止过,当然也在理论模型试验等过程中取得了不错的成果。

由于量子计算机仍然处于研究阶段,大部分是实验研究并没有普及应用,我们关于量子计算机的了解也是少之又少,大多来自于媒体报道,只了解一个概念,或区别于传统计算机。所以下文整理了一些关于量子计算机的核心概念,希望可以从宏观上了解量子计算机。

量子计算机

维基百科上量子计算机的解释是:量子计算机是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备,量子计算用来存储数据的对象是量子位元(Qubit量子比特)。

百度百科上量子计算机的解释是:量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

概念是抽象的,从维基百科和百度百科中可以了解到量子计算机是一种基于量子理论的一种新型计算机。其实现更多的需要物理体系的支持,DiVincenzo 就提出了5条标准,概况了可行量子计算机构建需要满足的条件:

  1. 有可表征的物理量子比特;
  2. 能很好的将量子态初始化初态;
  3. 退相干时间比门操作时间长;
  4. 拥有一套通用的量子门操作集;
  5. 具有特定量子比特的测量能力;

关于这5点概念的详细解释,可以参考量子客的这篇文章:标准量子计算。下面是一些关于量子概念简单解释,有些概念科学界也并没有给出详细定义,存在众说纷纭的现象,如果有兴趣的话可以参考维基百科和百度百科。

量子比特(Qubits)

传统计算机使用的比特(bit)是一种1或0表示的电脉冲和光脉冲流。而量子计算机使用的量子比特的物理载体通常是亚原子(如电子或光子)。由于这种物理载体的特殊性,在制备和控制量子比特过程中通常需要在低温超导或者超高真空的环境中。

由于量子比特的叠加性和纠缠性使得量子比特拥有比0和1更多的状态,可以表达更多信号,量子比特的连接组可以提供比相同数量的二进制位更高的处理能力。这也是量子计算机比传统计算机拥有更高算力的原因之一。

量子叠加

量子比特可以同时代表1和0的多种可能性组合,而这种同时处于多种状态的特性称之为叠加(Superposition)。“薛定谔的猫”就生动的描述了这种量子叠加状态(一只猫可以同时既是获得又是死的)。在量子力学中关于叠加态的理解是量子会产生衍射波,衍射波中有波峰波谷,因而量子可取不同的值(当然这需要系统地学习了解)。这里我们只用知道量子比特是可能存在多种状态的就可以了。另外,量子叠加会导致量子比特“坍塌”为0或者1,这是由于叠加的量子比特使得中间计算结果相互抵消造成的。

量子纠缠

一个量子比特对的两个量子比特存在于单个量子状态,当研究人员以可预测的方式改变其中一个量子比特的状态时(无论两个粒子分离有多远),另一个量子比特的状态将瞬间改变(为什么产生这种现象仍然是一个谜)。由于量子纠缠的性质,在量子机器中添加额外的量子比特则会使其数字运算能力呈指数级增长。

退相干

量子比特与环境之间的相互作用会导致量子行为衰减甚至最终消失,这被称为“退相干(Decoherence)”现象。量子比特的量子态非常脆弱,最轻微振动或温度扰动的变化都可能导致它们在工作正常完成之前就发生量子行为的衰减。所以需要在很严格的环境条件下控制量子比特,也是量子计算机很难实现的原因之一。

量子霸权

所谓的量子霸权(quantum supremacy)是指量子计算装置在特定测试案例上表现出超越所有经典计算机的计算能力。

正如文章开头提到的Google公司率先实现量子霸权是指Google公司开发出一款54量子比特数(其中53个量子比特可用)的超导量子芯片“Sycamore”。基于Sycamore,谷歌对一个53比特、20深度的电路采样一百万次只需200秒。而目前最强的经典超级计算机Summit要得到类似的结果,则需要一万年。这样的突破称其为实现“量子霸权”。

国内研究则是以国防科技大学计算机学院吴俊杰带领的QUANTA团队,联合信息工程大学等国内外科研机构,提出了量子计算模拟的新算法,该算法在“天河二号”超级计算机上的测试性能达到国际领先水平。

研究意义

量子计算机最有希望的应用前景主要是:1、模拟物质在分子状态的行为;2、优化问题的解决方案。量子计算机在理论上是可行的,但是在实践中却困难重重;现量子霸权,将代表超越经典的量子计算能力从理论走进实验,标志着一个新的计算能力飞跃时代的开始。