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轰动全球的谷歌量子计算机

2019-10-25 13:57| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 26530| 评论: 0|原作者: Ryan F. Mandelbaum|来自: 半导体行业观察

摘要: 在加利福尼亚戈莱塔的山峦和海岸之间,坐落着一间不起眼的办公室,旁边就是高速公路。它可能属于任何一家南加州公司;工人们坐在荧光灯下的灰色隔间里,有一个架子用来放员工的自行车和冲浪板。但在这些桌子上,物理 ...

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在加利福尼亚戈莱塔的山峦和海岸之间,坐落着一间不起眼的办公室,旁边就是高速公路。它可能属于任何一家南加州公司;工人们坐在荧光灯下的灰色隔间里,有一个架子用来放员工的自行车和冲浪板。但在这些桌子上,物理学家和计算机科学家正在开发一种前所未有的计算机。在一组双层门后,圆柱形机器将计算机芯片保持在比空间真空低的温度下。

在这里,谷歌的科学家们一直在努力创造一种计算机处理器,它可以解决一个对于世界上现有较好的超级计算机来说太难的问题。今天,他们宣布他们成功了:他们的Sycamore量子计算机能够在200秒内完成一个问题,根据他们的估计,一个超级计算机需要1万年才能解决。这是一个单一的、人为的问题,芯片将在与超级计算机的竞赛中失败。但是谷歌的科学家认为他们已经达到了一个历史性的计算里程碑。


“我们经常听到的一种批评是,我们编造了这个人为的基准问题——(Sycamore)还没有做任何有用的事情,”谷歌的工程总监Hartmut Neven在今天的新闻发布会上告诉记者。这就是为什么我们喜欢把它比作人造卫星时刻。人造卫星也没做什么。它所做的就是环绕地球。但这是太空时代的开始。”

今天,谷歌让记者们第一次看到了这个设备,以及它是如何完成实验的。

传统计算机使用晶体管来表示0和1的数据,而量子计算机使用被称为量子位的人造原子来表示数据。这些量子位不只是简单地使用逻辑规则,还通过量子力学的怪异数学相互作用。它们呈现0或1,并产生一长串二进制代码,就像传统计算机一样,但在计算过程中,它们可以呈现0和1之间的状态,这决定了在最终测量中获得0或1的可能性。


每个量子位都是由一个很小的、加号形状的超导线圈构成的。电流在这些系统中不仅没有阻力,而且整个装置几乎就像一个电子一样。每个加号都以格状触摸其他四个加号。

这种芯片(在未经训练的观察者看来,它很像普通的处理芯片)位于一个结构的底部,形状像一个倒置的婚礼蛋糕,放在真空室中。随着层数的增加,环境温度逐渐降低,直到达到15-milliKelvin的工作温度。一堆导线向量子位发送微小的微波脉冲,使量子位呈现激发态,而激发态是由另一个附加在加号上的微小元件测量的。

谷歌的科学家在2016年首次设计了量子霸权实验。前提是:用这些量子门建立一个随机电路。重新测量同一个电路数千到数百万次,通过一种称为量子干涉的效应,某些由0和1组成的字符串将比其他字符串更有可能出现。让一台超级计算机模拟量子计算机,并告诉它尝试创建一个类似的这些字符串的概率分布。随着每一个额外的量子位(以及每一个额外的操作),超级计算机要跟上就变得困难得多。谷歌的科学家们认为,运行Sycamore的54个量子位元中的53个(其中一个没有工作),他们已经彻底击败了超级计算机。要确认这个答案是正确的,只需稍微降低电路的复杂性,以超级计算机可以检查的方式运行电路,然后进行推断。


在德克萨斯大学物理学家斯科特·阿伦森的帮助下,他们甚至设计出了这个量子至上实验的用途。它输出随机比特,而随机性在密码学和彩票等领域非常重要。但如果它不是随机的——如果有人能秘密地猜出所谓的随机数字呢?通过这个实验,谷歌可以为您验证普通计算机不可能设计出这些随机数。

尽管有了技术成就,计算机还是容易出错。与外部世界的任何交互都会导致量子位元吐出错误的值。但实验证明,当他们加入更多的量子位元时,错误的数目会以可预测的方式增加。当他们可以预见并解决这些问题时,其布局(尤其是加号的格子)旨在与将来兼容。

谷歌的科学家Marissa Giustina说:“我们已经证明了我们对这些错误有所了解。”“这是一项关键的工程和物理突破。(供参考,Giustina是房间里的女科学家)。


我还得给电脑编程序。与IBM的Q体验类似,您可以使用常规的计算机接口将脉冲生成、量子位值更改操作拖放到每个量子位上,就像谱表上的音符一样。示波器显示了我发送给量子位的脉冲的形状。我观察了每个最终的量子位提供的0或1随附加操作而变化的可能性。

许多科学家已经提出了批评,认为经典计算机实际上可以在更短的时间内运行霸权主义实验,或者还没有找到合适的经典算法。对于IBM声称一台经典的超级计算机运行霸权主义实验需要2.5天,而不是1万年,Neven做出了回应:

他说:“自从我们发表了《量子霸权的建议》之后,经典方面的改进就源源不断,已经成为经典超级计算机的基准。”他解释说,美国国家航空航天局(NASA)、橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Lab)和其他地方的研究人员正在致力于改进经典的计算算法,以便谷歌设备拥有较先进的超级计算机来与之竞争。


在科学领域,谷歌已经展示了一个庞大的、复杂的量子系统,比以前展示的要复杂得多。在计算领域,我们已经进入了一个未知的领域:量子计算机现在也许可以做一些经典计算机做不到的事情。

Giustina说:“我们已经达到了一个新的计算空间,没有其他工具可以达到。”

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