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谷歌称实现量子霸权!啥是量子霸权?量子计算机又是什么?

文章作者:来源:www.difeltro.com时间:2019-10-17



众所周知,世界上最强大的超级计算机是美国能源署下属橡树岭国家实验室的“峰会”超级计算机。但是在9月20日,根据《财富》、《金融时报》等国外媒体的报道,谷歌在一篇论文中透露,他们已经使用53位量子计算机在200秒内完成了“顶点”超级计算机,需要计算10,000年。计算任务。

如果情况属实,那么这将是量子计算领域的一个里程碑。即使在仅适用于量子处理器的计算问题上,它仅超过经典计算机。但这符合所谓的“量子霸权”理论。

量子霸权?量子计算机?然后,我今天将讨论量子计算机。

首先谈论量子计算机,量子计算机的最早思想是基于对经典计算机芯片散热的研究。然后,让我简要解释一下为什么经典计算机会很热。古典计算机实际上是通过逻辑电路执行操作的。在经典计算机使用的二进制文件中,0和1也表示逻辑运算或“布尔代数”,即1表示“ true”,0表示“ false”。真与假之间的运算是通过逻辑运算实现的。例如,熟悉或不熟悉的“ 33”是正确的。结果为true,false或false,并且结果为false。这些操作是通过逻辑门实现的,例如“与门”和“非门”。在这些逻辑门中,存在可逆逻辑门和不可逆逻辑门。由可逆门实现的逻辑运算是可逆的。例如,在以非门进行的非操作中,输入一位实际上产生位虚拟,然后输入位虚拟。您也可以得到一点真实。不可逆逻辑门执行的逻辑运算是不可逆运算。例如,在与门中,输入两位为真以获得一位为真,并且信息的一位丢失。这是不可逆转的大门。根据Landauer原理,每次擦除一位数据产生的热量至少为kTLn2。巧合的是,经典的计算机芯片基本上是不可逆的,并且随着不可逆操作的不断增加,会产生越来越多的热量。而且,最先进的计算机擦除1位数据所产生的热量是理想功率的10倍,是10倍。因此,人类发明了各种芯片冷却设备,只是为了防止芯片燃烧。为了解决散热问题,有人建议:我们将计算机中的不可逆操作变成可逆操作还没有完成!

现在问题已经解决,又回到了量子计算机,最后一个问题来了。有什么办法可以将不可逆操作转变为可逆操作?的确,灵感来自量子力学,因为量子力学要求力学的数量是可逆的!然后,基于量子力学的量子逻辑门也是可逆的,从而不再产生通过擦除数据而产生的热量。

1982年,理查德费曼(Richard Feynman)提出了根据量子力学定律使用计算机的概念。通常,用量子比特代替经典计算机中的经典比特。与只能表示1或0的经典位相比,我们可以使用量子二态系统生成一个位,即上述的qubit。至于二态系统,您可以指的是死猫和活猫。然后借用薛定ding的猫。在没有观察者的情况下,量子力学告诉我们它既死又活。然后将“死”和“活”视为0和1,然后将猫视为量子位。然后,一个量子位可以表示状态0和状态1。这时,我们将从鞭子中取出经典位:有n个经典位和n个量子位。经典位只能表示一个数字,而量子位理论上可以表示2 n次幂。数。

在遇到各种问题之后,第一件事就是取下等价的子位(不要先移动猫,让它放一天假),物理学家说,这个问题在理论上只要二维复希尔伯特空间的两级量子系统可以用作量子位(不要问二维复希尔伯特空间的两级量子系统是什么,我也想问一下)。

则不能直接使用经典计算机的算法。因此,在1994年,贝尔实验室的Peter Schul发现了一种可以分解的有效量子算法,称为Shor算法。例如,根据Microsoft Researchers的研究,破解2048位RSA密钥对于最快的经典计算机可能需要十亿年以上的时间,而运行Shor算法的量子计算机只需不到100秒的时间。可以完成。 2001年,小发猫的一个团队使用了NMR实验的量子计算机和七个量子位,使用Shure算法对15进行素分解,得到3和5,这证明Shure算法是可行的。但是,使用舒尔算法来破解RSA密钥,计算量子纠错码(至少数十万个量子比特),因此您不必担心银行卡密码被破解。

在解决量子位和算法问题时,最困难的问题是难以保持量子相干性。用人类的话来说,假设存在一个量子叠加,即使我们不观察它,它也会在环境中发生量子纠缠,然后其相干性逐渐消失。这称为量子退相干。量子退相干导致系统的量子行为转变为经典行为。人们研究量子计算机,并想利用其叠加状态。现在将结果分解为经典计算机。明智的人们很快想出了一个解决方案:退相干是没有问题的,我不会让你撤退。然后是各种各样的量子编码,例如上述的量子纠错码,它是使用多个量子位作为量子位的处理器。 Google有72量子位的处理器Bristlecone。即,将八个量子位组合在一起,并且作为一个量子位,处理器可以执行逻辑操作的量子位的数量仅为九个。

量子计算机与量子霸权之间是否存在关系?所谓的“量子霸权”是加州理工学院普雷斯基尔教授在2012年提出的一个概念。简单地说,具有50量子位的量子计算机在处理某些问题上可以超越世界上最好的经典计算机。然而,利用当前的技术,难以在维持量子位相干性的同时实现大规模集成。因此,在18世纪初,普雷斯基尔(Preskill)教授发表了一篇论文,该文章不再提及“量子霸权”,而是将改为“人类即将进入嘈杂的中型量子计算机时代(NISQ)”。因此,“量子霸权”是一个非常模糊的说法。

大量讨论量子计算机的量子科学,然后回顾一下Google的论文。该论文最重要的部分是Google在使用经典计算机的情况下,在多项式时间内对随机量子电路进行了采样。这需要很多时间。尽管在这个特定问题上,量子计算机超越了传统计算机。但是,要实现最强大的量子计算机状态,我们还有很长的路要走。

还有一个要提的问题:量子计算机不能代替经典计算机。在不需要并行计算的某些情况下,使用经典计算机的速度足够快,例如计算一加一等于几。例如,飞机非常快,但是出去吃早餐我认为步行或骑自行车会更方便。

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