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从经典计算,到量子计算

2021-12-03 13:37
陈述根本
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文|陈根

1900年,普朗克在论文里首次提出了能量的不连续性,一脚踢开了量子力学的大门。通常来说,量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式,它与现有计算模式完全不同。在理解量子计算的概念时,通常将它与经典计算相比较。

在经典计算机中,信息的基本单位是位(Bit)。所有这些计算机所做的事情都可以被分解成 0s 和 1s 的模式,以及 0s 和 1s 的简单操作。与传统计算机由比特构成的方式类似,量子计算机由量子比特(quantum bits)或量子位(qubits)构成,一个量子比特对应一个状态(state)。

但是,比特的状态是一个数字(0 或 1),而量子比特的状态是一个向量。更具体地说,量子位的状态是二维向量空间中的向量。这个向量空间称为状态空间。

经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算,而二进制总是处于0或1的确定状态。于是,量子计算借助量子力学的叠加特性,能够实现计算状态的叠加。即不仅包含0和1,还包含0和1同时存在的叠加态(superposition)。

此外,加上量子纠缠的特性,量子计算机相较于当前使用最强算法的经典计算机,理论上将在一些具体问题上有更快的处理速度和更强的处理能力。

近年来,量子计算技术与产业呈现加速发展态势,而有关量子计算技术的突破多与三个因素有关,即量子比特能够维持量子态的时间长度、量子系统中连接在一起的量子比特的数量和对量子系统出错的把握。

量子比特能够维持量子态的时间长度,被称为量子比特相干时间。其维持“叠加态”(量子比特同时代表1和0)时间越长,它能够处理的程序步骤就越多,因而可以进行的计算就越复杂。

其中,IBM率先将量子技术引入实用计算系统,将量子比特相干时间提高到了100微秒。而当量子比特相干时间达到毫秒级时,将足以支持一台能够解决当今“经典”机器解决不了的问题的计算机。

陈根:从经典计算,到量子计算

从量子系统中连接在一起的量子比特的数量突破来看,2019年10月,谷歌公司在《Nature》期刊上宣布了使用54个量子位处理器Sycamore,实现了量子优越性。具体来说,Sycamore能够在200秒内完成规定操作,而相同的运算量在当今世界最大的超级计算机Summit上则需要1万年才能完成。

除了解决量子比特的数量问题,由于当量子比特失去相干性时,信息就会丢失,因此量子计算技术还需要面临如何去控制,以及如何去读取量子比特,然后在读取和控制达到比较高的保真度之后,去对量子系统做量子纠错的操作。

基于此,研究人员借鉴经典计算机里面纠错的概念,来确保最后总的等效的量子操作,可以达到比较高的保真度,开发了所谓的量子纠错。当然,现阶段的量子纠错还需要突破规模的门槛,但显然不再遥遥无期。

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