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2018-11-20 08:59 来源:新闻在线

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科技行者五年内,世界第一台实用型量子计算机将诞生

五年内,世界第一台实用型量子计算机将诞生

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目标在于从零开始打造出世界上第一台实用型量子计算机——且要求不只是概念验证方案,而是真正用于经典计算机的新一代计算机设计成果。

来源:科技行者 2018-11-20

关键字:量子计算机 生态 STAQ项目

相信很多人已经不会对这样的新闻感到陌生:“量子计算机即将发现大量新药,以治愈顽疾!”“量子计算机将深入分析全球范围内的数据,从而找到克服贫困与不平等等问题的方案!”

这些结论到底靠不靠谱?很难讲。我们实际上无法确定真正的量子计算机会以怎样的面貌出现——不过这也并不影响我们的兴奋之情。

我们甚至可以说,量子计算机本身也处于量子态当中——其正在彻底改变世界,但正是也仍然是个遥远的梦想。

不过现在,美国国家科学基金会计划将量子计算机从理想转化为现实——即在研究实验室中加以实现。而且,该基金会愿意为此投入大量资源。

今年8月,科学基金会公布了量子协调计算的软件定制架构(Software-Tailored Architecture for Quantum co-design,简称STAQ)项目。物理学家、工程师、计算机科学家以及其他众多研究人员将齐聚一堂,共同在五年时间内投入1500万美元开展这项研究工作。

其目标在于从零开始打造出世界上第一台实用型量子计算机——且要求不只是概念验证方案,而是真正用于经典计算机的新一代计算机设计成果。

这里先介绍一点背景:经典计算机与量子计算机之间存在着一些显著差异。相较于经典计算机中使用的要么为0、要么为1的二进制比特位状态,量子位(qubit)可以同时既为0、又为1。利用这些量子位进行信息传输或者进行计算的量子电路,被称为量子逻辑门; 正如经典电路控制型计算机电路中的电流一样,这些逻辑门将通过光子或者所捕获的离子控制各个量子位。

为了开发真正具备实用性的量子计算机,科学家们需要弄清楚如何改进我们用于构建物理设备的硬件,以及运行于其上的软件。更具体地讲,这意味着需要弄清楚如何能够容纳大量易于出错的量子位的系统,并确定如何在面对大量噪声干扰时对查询指令做出正确的响应。其中一项重要手段,可能在于构建自动化工具,以优化某些算法与特定硬件之间的映射方式,从而一举解决这两大难题。

为了更好地理解这个项目可能带来的成果,我们采访了负责STAQ项目的杜克大学工程师Kenneth Brown。另外,我们还提供相关超链接以补充Brown给出的答案。

记者:我们听到不少关于量子计算的表述,但大多非常抽象且偏于理论——很多研究都有望将量子计算机变成现实,但却没有提到如何具体实现这一目标。您的团队能够做些什么来克服这道其他人无法逾越的鸿沟?

Kenneth Brown(以下简称KB): 我认为最重要的一点,是强调量子计算机可以用各种材料制造而成。在这方面,我通常会将其与经典计算机进行类比。第一代经典计算机只有齿轮,因为这几乎已经代表着当时我们拥有的最先进的技术;此后经典计算机经历了真空管阶段,性能有了极大的飞跃;接下来,第一个硅晶体管开始出现。但大家一定要记住,最初的晶体管根本无法与真空管相匹敌。有时候,我认为当时的人们甚至没有意识到晶体管是如此重要的一项发现。

量子计算同样需要经历这样的过程。目前有多种方法可以表示量子信息,当下已经证明最具实用性的两种技术,分别是超导量子位与捕获离子量子位。二者有所不同,也各有优缺点,但在我们的小组中,我们一直专注于捕获离子量子位的研究。

对于捕获离子量子位,有趣的一点在于在数十个离子的小范围之内,所有量子位都是直接对接的。这与固态系统中的超导机制完全不同。在超导机制中,我们必须与附近的量子位进行通信。因此,我认为我们已经有能力建立起非常具体的计划,用以实现32量子位。这一点相当明确。我们希望进一步将其扩展至64量子位左右,当然这还需要一些新的研究作为支持。

记者: 与研究量子计算机的其他各方相比,您的计算机设计方案为何能够实现“实用性”?

KB: 我认为目前技术行业已经在努力构建这些实用型设备。其中真正的区别体现在学术方面,我认为我们的思路将做出更多探索,旨在制造出一台实体设备,供人们进行架构测试以及应该在哪些具体应用上采取截然不同的实现思路。

这里仅举一例,IBM公司已经拥有自己的量子设备(去年底,IBM研制出50量子位的量子计算机)。我实际上通过其它项目与IBM方面进行了合作,我认为他们也抱有非常开放的心态。但就目前来讲,这台量子设备的交互方式仍然处于一定的抽象层级(人们可以对这台量子计算机进行在线查询,但无法变更其编程方式)。换言之,大家无法对其编程方式进行优化。这里就存在一定的妥协:他们的计算机完全能够通过网络实现访问,但为了实现稳定性,他们必须关闭一些功能。(IBM的量子计算机目前以隔离方式运行并计划供更多研究人员使用,因此用户无法针对任何特定任务对其进行调整。)

因此,我们的目标是让设备达到同样的实用性水平,但同时又允许研究人员使用全部功能。

记者:量子计算将给普通人的生活带来怎样的影响?

KB: 我认为从长远角度来讲,量子计算与通信将改变我们处理互联网上编码信息的方式。事实上,在谷歌Chrome浏览器当中,用户已经可以将加密方式切换为后量子时代下的加密设置。

第二点,我认为人们还没有考虑到分子构成对材料造成的全部影响——从日常用品到特定新药都可能涵盖于其中。因此,如果量子计算机能够以高效且准确的方式计算这些分子特性,我们无疑期待看到这一切将给未来的材料科学与药学带来怎样的颠覆

但关于家用计算机的使用方式,我想大多数人仍然是借此观看网飞剧集或者偶尔发送一封电子邮件之类,在这方面量子计算机的出现其实并不会造成太大的影响。

所以这个问题就很有趣——我不知道量子计算机的真正用户群体在哪里。当初经典计算机真正问世后,人们也曾抱有同样的印象。他们可能认为这些计算机只适用于负责实验室工作的科学家。但实际情况并非如此,所以对于量子计算机的实际用途,我也抱有开放性的心态。

记者: 什么样的人可以使用量子计算机?您打算如何培训用户来使用量子计算机,未来的量子计算又会发展到怎样的水平?

KB: 在我向他人解释量子计算时,如果对方拥有量子力学的物理或者化学相关知识,那么我通常会以此为起点将其解释计算原理。从另一个角度来谈也可以:如果对方非常了解计算,我也可以以此为基础解释量子计算所带来的额外能力。

未来,我们可能面对来自这两类学科的培训对象。我们需要具备物理科学背景的成员才能在计算机科学方面加快进度,反之亦然。

至于具体举措,我们打算建立量子时期培训班,基本思路是引入业内人士,包括优秀的微波工程师或者软件工程师,尝试为他们提供充足的工具以帮助其思考如何适应量子计算带来的额外规则。

记者: 您需要完成哪些新研究,才能构建起这台设备?具体需要进行哪些工作?

KB: 我们已经有了一些想法。在经典计算机中,我们使用的是电压; 但在量子计算中,我们需要以某种方式将信息从一个位置传送到另一个位置。负责将信息传递至计算机其它部分的信使量子位必须与构成计算机其余部分的量子位属于相同类型吗?关于这一点,我们还不确定。

在考虑对复杂量子计算机进行规模扩展方面,目前通行的方法被称为CCD架构(http://iontrap.umd.edu.6h9f.cn/wp-content/uploads/2012/12/Architecture-for-a-large-scale-ion-trap-quantum-computer.pdf)。其基本思路在于建立起能够由某一点穿梭至另一点的可控离子链。这是其中的一种可能性。

目前的一些理论研究工作,主要关注是否能够在离子链之间实现光子互连。各类超级计算机都在考虑利用光子充当这些信使量子位。通过这种方式,我们基本上相当于建立起一大堆由光子连接起来的小型量子计算机,而连接而成的体系则可作为一台规模更大的计算机。

但这样的目标恐怕更为遥远。我认为在未来五年之内,我们需要解决最重要的传输带宽挑战。如果能够成功,那么这将是一项了不起的成就,并真正打开通往新时代的大门。

记者:一路走来,您是如何判断研究工作是否取得切实进展的?您是否建立起相关的判断基准?您如何测试以确定现有成果能够正常工作?

KB: 在硬件方面,我们可以增加量子位数量并建立起更完善的逻辑门(大家应该还记得,逻辑门就是负责移动离子或者光子以传递信息的东西),这就是所谓切实的进展。我们有一种感觉,即使数字不断上涨,我们也至少需要突破50量子位这一难关才算真正有所成就。(截至今年3月,谷歌公司一直保持着72量子位系统的世界纪录。)

与此同时,我们还将采用我们所知道的算法与应用程序,并将其映射到新的硬件之上。我们将尝试优化算法,并以不易受噪声影响的方式实现应用程序整体映射。

在运行这些应用程序之前,我们需要建立起一整套关于其在测试及一般性应用中失败频率的经验法则。但在我们的团队对软件进行优化之后,其失败频率应该会低得多。这将有助于我们在算法领域进行更多探索,因为这将使我们有信心将量子计算机的复杂程度提升至新的高度。我认为最重要的是确保拥有充足的探索空间,审视人们目前还没有考虑到的问题。

记者:你遇到过的,关于量子计算机最糟糕的误解是什么?人们对量子计算机存在哪些常见的错误看法?

KB: 其中最大的误区在于,人们会将量子计算视为一种魔术。实际上,量子计算机并不是什么魔术,它也解决不了所有问题。

实际情况是,在经典计算中,我们会发现一些易于解决的问题,也会遭遇一些很难解决的问题。这意味着我们无法在多项式时间(一条计算机术语,用于表达计算机能够快速完成任务)内将其解决。

事实证明,我们耗费了大量计算能力来解决在多项式时间内无法解决的问题,但最终仍然只能获得近似值结果。

量子计算机允许我们解决一些在经典计算机上难以处理的问题,但却无法解决所有这类问题。一般来讲,最让我无法接触的是很多量子计算文章中提到其能够马上解决所有问题,因为量子计算机能够同时进行无限的并行计算。

如果量子计算机能够研制成功,那么我无疑会对此感到非常兴奋。有那么一类问题,最著名的就是旅行商问题——我们知道无法处理所有可能的销售人员工作路线,但却又必须找到最优的解法。经典计算机竭尽所能仍然无法达成目标,而给出的结果可能还是无法令人满意。没关系,人们会想,“好吧,计算机有时候也会犯错。”

而一旦拥有了大型量子计算机,我们可以更准确地测试这类算法。同样的,我希望人们也能够在解决众多经典问题的同时,意识到这种新型计算机偶尔也会犯错。

我是个很乐观的人。我想,正是这种天性让我选择了这样一个充满不确定性的研究领域。


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