谷歌量子计算机：超越经典计算的新时代

工程6（2020）381新闻亮点谷歌向量子计算克里斯·帕尔默高级技术作家谷歌科学家在2019年10月宣布其量子计算机在短短200秒内解决了一个经典计算机需要数年-10000年的问题，从而引发了计算世界的轰动谷歌这一成就后来受到国际商业机器公司（IBM）科学家的质疑，并被该领域的许多专家淡化因为太过深奥，这向谷歌调查人员发出了证据，证明量子计算机可以实现“量子霸权”，在某些任务上甚至超过世界上最强大的经典计算机。在未来，像谷歌这样更强大、更强大的量子计算机，“这当然是一个重要的结果，最终表明量子计算机可以在比经典计算机更短的时间内完成特定任务，”洛杉矶南加州大学工程学教授、南加州大学量子信息科学与技术中心主任、南加州大学-洛克希德马丁量子计算中心联合主任丹尼尔·利达说。“虽然谷歌解决的问题非常具体，并不被认为特别有用，但我不会惊讶地看到未来十年内出现一台实用的量子计算机。量子模拟，其中量子计算机模拟另一个量子系统或其模型，看起来非常接近而且很有希望“虽然十年似乎很遥远，但量子计算的起源可以追溯到1981年，同年IBM发布了第一台个人电脑。在那一年的一次演讲中，物理学家理查德·费曼提出，量子力学现象，如化学反应和电子在半导体中的流动，最好用基于量子力学规则的机器来模拟[2]。这种计算机将利用纠缠，这是量子系统特有的一种现象，两个（或更多）粒子似乎以协调的方式运行，即使相隔很远。这些神秘的联系使得量子系统在经典计算机上模拟具有挑战性人们期望量子计算机将被证明更适合解决复杂的问题，如设计更好的药物和更高效的太阳能电池。此外，与普通计算机相比，量子计算机有可能以更快的速度进行计算。标准计算机存储数据并使用比特执行计算，要么是1要么是0另一方面，量子计算机使用量子位，量子位可以同时为1和0，至少在测量它们之前，此时它们的状态是已知的。因此，每增加一个量子比特，状态的总数就会增加一倍。一个量子比特是两种可能的状态，两个是四种可能的状态，三个是八种，依此类推。当你达到100个量子比特（假设的完美行为）时，地球上的每个原子都需要存储描述量子计算机状态的比特。谷歌通过将由超导金属环制成的量子比特串在一起来建造量子计算机，这些超导金属环在一个温度略高于绝对零度的房间中屏蔽了嘈杂的非量子世界（图10）。①的人。谷歌Fig. 1.艺术家低温有助于防止噪音干扰量子位。图片来源：Forest Stearns，GoogleAI Quantum Artist in Residence（CC BY-ND 4.0）。https://doi.org/10.1016/j.eng.2020.02.0032095-8099/©2020 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng382C. Palmer /工程部 6 （2020）381测试其量子计算设备，一个名为Sycamore的54量子位阵列（图2），是否可以正确验证随机数发生器的量子版本的结果。Sycamore在短短200秒内对随机量子电路进行了100万次采样。当该团队在经典计算机上模拟相同的量子电路时，他们发现即使是世界上最强大的IBM除了在惊人的速度，谷歌的另一个明显的胜利是在能源消耗方面，该领域的一些专家将谷歌的成就比作莱特兄弟1903年的第一次飞机飞行--这是一个概念上的证明，但实际应用仍需数年时间。其他研究人员对这一里程碑不予理睬，因为计算过于具体，不太可能应用于更一般的计算应用。此外，IBM的竞争对手科学家发表了一篇博客文章，认为量子计算理论上可以在不到两天半的时间内在其Summit超级计算机上运行[4]。虽然量子计算仍处于起步阶段，但资金已经涌入该领域。由于量子计算被认为特别擅长于分解大量数据这是许多现代数据加密方案的一个关键方面世界各地的政府将其视为国家安全优先事项。中国（4亿美元）[5]、美国（12亿美元）[5]和欧盟（11亿美元）[6]都在大手笔支出。此外，一些计算中坚力量正在进行自己的量子研究，包括阿里巴巴，百度，谷歌，惠普，华为，IBM和腾讯[7]。初创公司也希望在该行业站稳脚跟，私人投资者在2017年和2018年向数十家公司投入了4.5亿美元[7]。但是，在利用量子计算能力解决实际问题之前，还有一个主要障碍需要克服：量子比特非常容易出错。环境中的噪声，包括机械振动、温度变化或杂散电磁场，都会削弱量子比特之间的协调这会降低机器一个潜在的解决方案图二.谷歌这种架构为芯片提供了足够的连通性，使量子比特状态能够在整个处理器中快速交互，使其能够显着优于最强大的经典计算机，尽管对于一个非常具体但不是特别有用的任务。图片来源：Erik Lucero/Google（CC BY-ND 4.0）。就是在系统中加入纠错程序然而，计算中涉及的每个量子位至少需要五个纠错量子位[8]。额外的量子位将增加成本和复杂性。谷歌为了避开量子比特的挑剔本质，一些研究小组正在对硬件采取不同的方法。微软正试图使用一种名为拓扑学的模糊数学理论来创建一种新型的量子比特，这种量子比特比当前系统中使用的量子比特要强大得多。初创公司IonQ（美国马里兰州学院公园）正在试验使用激光读取被困在磁场中的镱离子的量子态[7]。另一家初创公司PsiQuantum（美国加利福尼亚州帕洛阿尔托）正试图通过硅芯片中的轨道引导光子来制造量子位[7]。这种方法的一个好处是量子位可以在现有的半导体制造工厂中产生。该公司认为它可以在大约八年内建造一台百万量子位计算机[7]。Lidar说，考虑到单个量子比特的预期脆弱性，Sycamore似乎是一个相当强大的系统不过，总的来说，许多专家担心仍需克服的技术障碍。在2018年12月的一份报告中，美国国家科学、工程和医学院警告说，如果量子计算机的实际用途不能很快出现，投资可能会枯竭。 Kak认为没有多少纠错量子比特可以解决与噪声相关的问题。‘‘Personally, Ibelieve that they will never be built然而，Lidar则更为乐观。‘‘Since the mid-nineties, quantum‘‘For its part, Google has demon- strated 而且，在这一点上，量子系统的模拟模型变得非常有趣。引用[1] Arute F ， Arya K ， Babbush R ， Bacon D ， Bardin JC ， Barends R ， et al.Quantumsupremacyusingaprogrammablesuperconductingprocessor.Nature2019;574（7779）：505-10.[2] 费曼用计算机模拟物理。国际理论物理学杂志1982;21：467-88。[3] 奥弗拜D量子计算即将到来，一点一点地（互联网）。纽约：纽约时报; 2019年10月 21 日 [ 引 用 2019 年 12 月 23 日 ] 。 可 从 以 下 网 址 获 得www.nytimes.com/2019/10/21/science/quantum-computer-physics-qubits：HTML.[4] Pednault E，Gunnels J，Maslov D，Gambetta J. On '' quantum supremacy'[Internet]. Armonk：IBM; 2019年10月21日[引用于2019年12月23日]。可从以下 网 址 获 得 ： https://www.ibm.com/blogs/research/2019/10/on-quantum-supremacy/C.帕尔默/工程6（2020）381-383383[5] 梅斯湾谷歌声称量子突破可能会改变计算[互联网]。纽约：纽约时报; 2019年10月23日[引用于2019年12月23日]。可查阅：https://www.nytimes.com/2019/10/23/technology/quantum-computing-google.html。[6] 卡斯泰尔韦基湾 欧洲在10亿欧元的量子赌注中展示了第一张牌。 性质2019;563（7729）：14[7] Gibney E量子淘金热：私人资金涌入量子初创企业。Nature2019;574（7776）：22-4.[8] Knill E，Laflamme R.量子纠错码理论。Phys Rev A1996;55（2）：900-11。[9] 佳科诺夫湾反对量子计算的案例[互联网]。纽约：IEEE Spectrum; 2018年11月15 日 [ 引 用 于 2020 年 1 月 10 日 ] 。 可 从 以 下 网 站 获 得 ：https://spectrum.ieee.org/computing/hardware/the-case-against-quantum-computing。[10] 布 鲁 克 斯 M. 超 越 量 子 霸 权 ： 寻 找 有 用 的 量 子 计 算 机 。 Nature2019;574（7776）：19-21.[11] 量子计算的进展和前景[互联网]。华盛顿特区：美国国家科学院，工程和医学; [引用2019年12月23日]。可从以下网站获得：https://www.nap.edu/catalog/25196/quantum-computing-progress-and-prospects。