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量子計算:Bubblehoya娛樂城準備爆發?

像這種IBM模型一樣,量子計算機看起來就像是科幻小說般栩栩如生。 (圖片來源:Graham Carlow for IBM)
伊利諾伊州Bolingbrook的Janes Avenue和East Boughton Road的大型交叉路口看起來像美國郊區的許多其他十字路口。駕車直達的星巴克(Starbucks)監視著超過15條車道的轉向和合併中型SUV,其中大部分駛向南部Promenade購物中心龐大的停車場,還有一些在前往355號州際公路的射擊場和槍店的途中向東。 SUV中很少有人意識到他們正在推動美國對量子信息技術的蓬勃發展研究。在州際公路下面,糾纏的光子(以光速運動的量子粒子)通過重新構成目的的最長的陸地量子網絡之一的重新定向的光纖電纜往返傳送到下一鎮的阿貢國家實驗室。國家。 
(照片來源:Yuichiro Chino / Getty)
研究人員希望使用位於Bolingbrook和其他類似地點的52英里量子測試站點來證明您可以將信息捕獲在一個位置的物質量子狀態(例如光子)中,然後將其發送到其他位置,並完整地訪問它。另一端。他們需要考慮到冰凍的地面,太陽的輻射以及所有在頭頂行駛的車輛的振動帶來的挑戰,但如果能夠證明這一點,他們將發明一種使5G顯得古樸的通信方式。其他實驗室的研究人員正在同時嘗試將算法引入類似的基本物質狀態,即 量子位 並在計算結束時將它們正確轉換。如果成功的話,他們將擁有一台全新的計算機。多年來,物理學家一直很清楚,量子力學的悠久歷史可以徹底改變計算和互聯網。如果量子比特可以被馴服,它們可以在短短幾秒鐘內運行算法,否則將需要數年才能完成。穩定的光子可能會以一種在傳輸過程中永遠不會被黑客入侵的方式立即在世界範圍內傳輸信息,因為任何干擾都會破壞信息。對我們其他人來說,量子革命似乎已經從困倦的科學理論變成了最尖銳的前沿。甚至有可能我們目前正在經歷某種量子泡沫,並且它可能會破裂。在2017年,大多數量子測試迴路只是休眠的光纖電纜,沒有人能夠像傳統計算機一樣獲得量子位來可靠地處理信息。現在,世界各地有十幾台正在運行的量子計算機,其中任何軟件開發人員都可以通過熟悉的服務(例如,Amazon Web Services帳戶)訪問其中的幾台。在過去的兩年中,美國已投入超過10億美元的政府資金用於量子信息研究,量子計算初創公司已經完成了多輪風險投資,IBM宣布正在推進建造一百萬台以上計算機的計劃。量子位,從今天的最多約60個增加。儘管取得了突飛猛進的進步,但在量子信息科學這一新興領域工作的許多人都承認,量子態尚不可靠或不夠了解,無法代替傳統計算和互聯網。一些人相信他們永遠不會-沒有人會購買帶有量子位的手機而不是Apple A12 Bionic,而且量子位和其他基本粒子將永遠被歸於科學研究。 


什麼是量子計算?

由量子位(簡稱為量子位)組成的計算機實際上是電路的集合。就像在由位組成的經典計算機中一樣,輸入值通過電路中的一系列邏輯門進行操作,每個邏輯門都會修改該值以產生輸出。量子計算和經典計算之間最重要的區別是位是二進制的。它們是向上或向下,打開或關閉,零或一。另一方面,量子位可以糾纏在一起—一次以多種狀態出現,即所謂的 疊加(有關更多詳細信息,請觀看上面的視頻,來自Rigetti Computing。)如果要解決複雜的算法,例如,作為要在經典計算機上運行的軟件應用程序的一部分,則需要將多個位串在一起零和一。但是,如果您正在使用qubit運行算法,則可能需要 博弈娛樂城疊加中只有一個qubit可以取代所有這些經典位。將多個量子比特串成一個量子電路,可能性是驚人的。從理論上講,您可以運行如此復雜的算法,以致於我們無法像經典計算那樣擁有類似的算法。改善量子計算和通信方面最難解決的問題是物質量子態的脆弱性。我們已經開始能夠保護行進的量子粒子免受天氣和道路振動的影響,但只能在測試迴路中進行,而不必超過替換現有互聯網所需的數千英里。同樣,即使在受控的實驗室環境中,也沒有人想出如何使量子位可靠地起作用。
量子體積為64的IBM Quantum 27量子Falcon芯片(照片來源:JIBM)
正如IBM在今年早些時候使用一台穩定的27量子位計算機Falcon所展示的那樣,它們在小組中工作得很好,並僅限於特定類型的計算。它們對測試很有用:研究人員可以使用已知的解決方案解決問題,然後驗證答案。但是到目前為止,事實證明,量子比特太脆弱了,無法在較大的組中可靠地運行,這有效地限制了它們從beta畢業並準確執行傳統計算機可以進行的任何計算的能力。“隨著我們增加量子比特的數量,您能夠探索更多種類的量子電路。” IBM實驗量子計算小組高級經理Jerry Chow說。像那麼簡單就好了。正如Chow所說,“有耗量子比特”問題意味著當今存在的每台量子計算機的各個部分都專用於解決其計算中的錯誤,而不是自己執行計算。計算機的量子體積(一個描述其執行計算的最大潛力的數值)始終小於其包含的量子位數量。同樣,在經過測試循環的過程中,完整開始其過程的光子數量始終大於返回的數量。規避這個娛樂城體驗金 問題和釋放量子計算的全部潛能,一些研究人員正在研究添加糾錯碼,這些糾錯碼已經在某些經典計算機中實現。其他人正在探索將量子物理學應用於計算的其他方法,這些方法不涉及門和電路。一種可能性是誘使量子粒子忽略背景噪聲(例如,振動,溫度變化和雜散電磁場),從而導致它們崩潰。芝加哥大學的一個團隊在八月宣布,他們在有限的實驗中成功地進行了這種欺騙。 量子退火 是另一種有潛力的技術。它涉及利用量子態的波動來執行計算,而不是通過電路中的門發送波動。一些來自加拿大小型公司D-Wave的市售量子計算機使用此方法。但是它們也遭受錯誤的困擾,到目前為止,它們已被證明僅能解決特定類型的算法,例如,一個基於“旅行推銷員”問題的算法,該算法試圖找到一組算法之間的最短路徑。點。大眾汽車去年在一項實驗中使用了D-Wave的方法,以幫助葡萄牙里斯本的公交車避免交通擁堵。儘管該實驗僅限於將技術會議的參與者從機場帶到會議中心,但該實驗被宣佈為成功。 
實驗量子計算小組的IBM研究人員Jerry Chow為量子實驗做準備。 (照片來源:Jon Simon / IBM特色照片服務)
有損量子比特問題的最臭名昭著的例子出現在2019年10月,當時Google的研究人員宣布他們已經在200秒內完成了對53量子比特量子計算機的基準測試。該測試將花費一台經典的超級計算機更長的時間-從幾天到10,000年不等,具體取決於其規格。根據這個綽號為Sycamore的實驗,Google聲稱已實現 量子至上 或證明量子計算機可以比傳統計算機更快地處理算法而不會犯任何錯誤的證據。這在量子信息科學領域是一個聖杯,而Google首席執行官Sundar Pichai很快就稱讚它為量子計算的“ hello world”時刻。不過,不久之後,研究人員就對這項實驗是否如Google所說的那樣具有爭議性提出了爭議,引發了一場嗡嗡聲的爭吵。對於麻省理工學院物理學家威利安·奧利弗(Wiliam Oliver)研究量子位的問題來說,量子至上的更大問題不是它是否存在,而是它何時分解。他談到Sycamore時說:“世界上大多數人認為[Google]實現了這一目標。 “但是如果他們再增加幾個量子比特,那麼他們將無法做到這一點。”奧利弗(Oliver)認為,量子計算的好處不只是超越傳統計算機的至高無上。他說,真正的聖杯是量子計算“能夠在任何時間無錯誤地運行任何東西。”即使在一年後,周杰倫仍然認為Google的宣布是創建量子過程的腳註。研究人員甚至普通人都可以實際使用的計算機而不必擔心其準確性或穩定性。 “這是一項有趣的學術工作,旨在推動這種問題威博娛樂城m,”鄒說到梧桐。 


向我展示風投和政府資金

David Awschalom(中心)與能源部主管科學事務的副部長Paul M. Dabbar討論量子研究,左起第二(圖片來源:阿貢國家實驗室)
如果存在量子泡沫,那麼這不僅是由於美國梧桐式學術工作的興起,而且是私營公司同時推動開發現實世界的量子應用(例如避免交通擁堵)作為一種競爭優勢而加劇的。我們至少從1980年代就知道了量子物理學可以提供計算的優勢,當時阿爾貢物理學家Paul Benioff描述了計算機的第一個量子力學模型。但是,這項技術的吸引力現在似乎已經咬住了進取心的商人,從最小的初創公司到最大的企業集團。“我個人認為,進入量子時代再沒有比現在更激動人心的時刻了,” William Hurley說。他於2018年創立的初創公司Strangeworks是發展的社區樞紐註冊送點數致力於量子算法的人們。曾在Apple和I​​BM任職的軟件系統分析師Hurley說,已有10,000多名開發人員簽約提交了算法並與他人合作。在合作者中,總部位於奧斯汀的Strangeworks稱他們為“朋友和盟友”是灣區初創公司Rigetti Computing,該公司提供Amazon Web Services客戶可以訪問以測試其量子算法的三台計算機之一。這項名為Amazon Braket的服務於8月份首次亮相,其客戶中包括大眾汽車和富達投資。Quantum信息技術如此吸引人,以至於各大企業集團現在都在組建整個研究部門,以探索其競爭優勢。摩根大通銀行的​​研究人員為從加密和安全到期權交易的各個業務領域開發量子算法。摩根大通應用研究與工程未來實驗室主任羅布·馬特爾斯(Rob Matles)說:“我們現在完全處於研究模式。” “我們希望在遇到量子霸權時做好準備。” Matles尤其對量子計算如何改善期權交易持樂觀態度,而在金融領域,速度和準確性至關重要。 
IBM歐洲研究中心AI自動化小組經理Cristiano Malossi(照片提供:Jon Simon / IBM特色照片服務)
所有這些活動都受到美國和國外納稅人資金承諾的支持和激勵。美國國家量子計劃(National Quantum Initiative)成立於2018年,範圍廣泛(它呼籲制定一項“十年計劃,以加速量子信息科學和技術應用的發展”),並且慷慨大方(迄今為止已批准10億美元)。軍方也提供了很多支持:美國國防高級研究計劃局(DARPA)今年到目前為止已撥款近2000萬美元,以刺激量子計算機的發展,而不要求它們比傳統計算機具有優勢。里杰蒂聲稱擁有美國唯一的專用量子集成電路鑄造廠,它吸引了政府資金和風險投資。它在3月從DARPA獲得了900萬美元,然後完成了7900萬美元的C輪融資,並在8月份宣布了計劃在英國建造其第二台量子計算機的計劃,這是一個財團的一部分,該財團獲得了DARPA 1000萬英鎊(約合1300萬美元)的資助。英國政府。政府和軍隊對建立量子互聯網特別感興趣,它們對量子測試環路(如Argonne的環路)具有特殊的吸引力。能源部科學事務副部長保羅·達巴(Paul Dabbar)在7月宣布:“我們現在有了使這一量子互聯網成為現實的藍圖。”最終,該部門計劃在所有17個國家實驗室中建立量子測試迴路,並將它們連接在一起,以創建一個基本的全國性量子通信網絡。 
IBM量子計算機(圖片來源:Graham Carlow for IBM)
然而,對於所有的投資和樂觀態度,人們也有一種非常真實的感覺,即量子能力的不確定性是一場賭博。 Matles承認:“ Quantum還沒有準備好解決現實世界中的問題。”摩根大通(JPMorgan)大約在三年前就開始了量子研究,從那以後,他就感興趣地觀看了諸如梧桐(Sycamore)實驗之類的進步。但他堅持認為,該公司仍處於樂觀階段,還沒有準備好推測量子計算可能提供的具體改進或準備花費多長時間。赫爾利談到量子信息技術時說:“我們仍處於仿真世界。” “這些不是計算機。它們是開發量子空間的絕佳設備,但其中許多並非始終可用。他們無法解決常規計算機無法解決的任何問題,並且在沒有連接傳統計算機的情況下,它們都無法正常工作。”確實,如果有損量子位是量子物理學家的禍根,那麼訪問挑戰就是企業研究人員的禍根。每當量子計算機完成其算法的運行時,它都需要休息,否則量子糾纏將完全崩潰。量子比特將丟失其疊加以及它們可以持有的信息的風險被稱為 退相干 這進一步證明了量子計算機的脆弱性。 9月,奧利弗(Oliver)和其他科學家宣布,他們相信普通物體(如混凝土牆)產生的無害輻射會加劇這種退相干性。將量子計算機分配給無輻射的掩體是不切實際的,並且對其他潛在補救措施(例如背景噪聲欺騙)的研究才剛剛開始。因此,在可預見的將來,量子計算機將不得不頻繁地重置。如果您是tryihoya娛樂城像Rigetti和Amazon一樣,提供量子計算作為雲服務,這意味著您的客戶需要大量的等待時間。 
IBM科學家Stefan Filipp仔細研究了低溫冰箱將使量子位保持超冷狀態。 (照片來源:IBM Research)
事實是,您需要一種將算法從經典計算機傳遞到量子計算機的方法,這加劇了訪問挑戰。最初,Rigetti允許客戶通過常規Internet提交電路,然後將結果返回。 Rigetti系統和服務高級副總裁David Rivas解釋說:“作為一種評估電路構造的方法,它工作得很好。” “但是,您真正想要的是在用於提交結果的傳統計算機與重新運行電路之間存在一個緊密的循環。將公共互聯網置於其中是一種巨大的威懾力。” Rivas說,得益於最近的改進,亞馬遜客戶將能夠避免這種滯後時間,這使Rigetti能夠同時評估數千條電路,並將結果“以毫秒為單位”返回給客戶的傳統計算機。但是他承認,除非完全轉換到量子,否則要完全避免這些滯後的唯一方法就是將量子和經典系統集成在一起,他認為這一成就還有數十年之遙。無需物理學博士學位即可看到在不同城市或不同大陸僅通過量子態進行通信的兩台計算機的前景將需要數十年。那是完全可以的。 

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量子計算是否會在實驗室之外發揮作用?

芝加哥大學和阿貢國家實驗室的物理學家戴維·奧沙姆(David Awschalom)審查了量子實驗的數據。 (照片來源:芝加哥大學)
從過去三年量子飛躍的觀點來看,等待數十年的量子信息技術的下一次飛躍似乎是永恆的。但是進步是相對的。在由真空管供電的1900年代首批電子電路與先進的半導體製造技術之間相隔了一個多世紀,這使得郵戳大小的A12 Bionic能夠為Apple iPhone供電。在AOL誕生幾十年之前,互聯網就已經是美國國防部的一項基本計劃。因此,量子先驅們渴望對未來可能擁有的東西之以鼻。戴維·奧沙隆(David Awschalom)是芝加哥大學的物理學家,阿貢(Argonne)量子測試環路項目的負責人,並且是前面提到的背景噪聲欺騙技術研究的主要作者。他認為,量子信息研究的當前狀態大致相當於1950年代的經典計算機,只有幾分娛樂城體驗金500小型晶體管(現代便攜式計算機具有數十億個晶體管)。但是他指出,等效的量子機器(只有幾十個量子比特)“以高度非線性的方式擴展”。到有人發明大約200量子比特的量子計算機時,我們就能處理狀態多於可觀察的宇宙中原子數量的算法。對於學術研究人員而言,這對摩根大通(JPMorgan)這樣的公司而言,就像競爭優勢一樣,是強大的動力。有幾家公司受到科學進步和利潤的激勵。 IBM於9月發布了一份路線圖,說明如何在2023年之前將其從今年的27比特位計算機升級到名為Condor的1121比特位處理器。最終,該公司希望構建由一百萬個量子位組成的完全容錯的計算機。沒有為該成就設定目標年份。即使對於IBM自己的工程師來說,這也是一個艱鉅的項目。在這麼大的功能量子計算機中,Chow說:“我可以在紙上畫出它的樣子,但我可能是錯的。”除了要使這麼多量子比特很好地玩耍並保持其連貫性的挑戰外,Condor還需要支持系統和物理體系結構方面的進步。具有低溫超導量子位的量子計算機是一個龐然大物,並且擁有許多稀釋橋和低溫冷卻室,是一個令人驚嘆的美麗景象。管子和軟管將所有零件連接在一起。所有的計算機都會產生熱量,但是量子計算機是名副其實的熔爐-首先,它們極易受到輻射和溫度波動的影響。 IBM指出,當今的商用冰箱將無法有效冷卻和隔離一百萬量子位的計算機。因此,新冰箱也必須在量子路線圖上。一種潛在的設計是高10英尺,寬6英尺的超冰箱。 IBM Quantum副總裁傑伊·甘貝塔(Jay Gambetta)在博客中描述該項目時說:“最終,我們可以預見一個未來,量子互連將鏈接稀釋冰箱,每個冰箱都擁有一百萬個量子比特,就像企業內部網鏈接超級計算處理器一樣。” 


量子動力未來的願景

Rigetti QPU(照片來源:Rigetti)
這項研究是非常真實的,但是這種幻想與幻想無緣,或者至少對於我們大多數人來說難以想像。 10,000個軟件開發人員在Strangeworks平台上共享的所有算法僅是可能的建議。要驗證它們,他們必須首先找到備用的量子計算時間,然後在運行後經過驗證以確保准確性。相反,開發人員可以簡單地重寫這些算法以在經典計算機上運行,並稱之為一天。即使量子計算機能夠比傳統計算機更快地完成它們,但量子先驅者之間並沒有達成共識,從長遠來看,這種至高無上的地位至關重要。至於量子互聯網,廢棄的光纖電纜如今已成為其測試平台,這完全提醒我們在為每個美國家庭提供當今的寬帶互聯網方面仍未解決的挑戰。這種量子態似乎充其量是可以接受的挫折。最糟糕的是,這是一個泡沫,有可能使納稅人和風險投資家失望。但是從消費者的角度來看,基於量子的技術不像3D電視或Oculus Rift。昆騰的最大潛力不需要您購買新電視或將整個房屋的整個房間專門用於視頻遊戲。但是,即使事實證明不可能製造出帶有量子處理器的手機,這些手機在變熱時也不會緊抓,或者無法可靠地在大洲之間發送封裝在光子中的信息,但公眾仍然可能會感覺到量子對日常生活的貢獻。解決連貫性問題將需要未知的獨創性,但是很容易看出公共汽車和期權合約將如何使通勤者和投資者感到滿意,即使計算是在一個孤立的掩體中進行,然後通過常規的舊互聯網傳遞到奔騰的,也是如此。嘎嘎叫的老式平板電腦。 Rivas相信:“普通消費者很可能會以兩種方式之一在他們的生活中看到量子計算。”首先是對旅行推銷員問題的改進。無論是將Uber駕駛員重定向到需求量大的城市街區,還是在交通擁堵中駕駛公共汽車,盡快提高在多個地點之間往返的能力,對現代生活來說都是巨大的福音。Rivas說,量子可以在不完全接管計算和互聯網的情況下對日常生活產生影響的第二種方式是對易耗品(尤其是藥物)的改進:量子計算機已被證明擅長建立用於藥物開發的分子模型。這兩種情況以及其他類似情況都暗示著量子物理學不會取代我們今天擁有的當前信息技術基礎架構的未來。實際上,量子的未來就是數據中心的未來,而不是50年後手機或筆記本電腦的樣子。 “我們的興趣是開發超級計算機的替代產品,” Rivas說。那樣說,也許就不會有量子泡沫破裂。超級計算機的重要性在今天很容易理解,即使很難準確描述超級計算機的功能。無論我們是否達到了量子至高無上或發明了堅不可摧的光子,用量子技術改進這些類型的機器似乎都更容易證明。量子信息的未來可以被看作是Manifest Destiny的類似物,認為席捲19世紀美國的向西擴張既是合理的也是不可避免的。赫利指出:“從紐約到加利福尼亞,過去通常要花幾個月的時間。” “然後火車來了。將火車視為經典計算機。”金釘峰標誌著洲際鐵路建成150多年後,幾乎沒人驚嘆於火車。赫爾利說:“但是無論走多遠,最終都會到達海洋。” “所以你需要乘飛機旅行。”那就是量子計算:一項革命性的技術,可以使我們跨越隱喻的海洋。即使已經成熟,它仍可能依靠經典計算機來執行常見任務,就像郊區的居民乘坐飛機去國外度假,然後乘坐15車道的SUV到達超市和購物中心一樣。如果最近投入量子計算研究的資金步伐讓您渴望購買量子動力的iPhone,那麼您可能正處在泡沫之中。但是最近幾年的量子突破表明,在不太遙遠的將來發生的變化既不那麼明顯,也更具革命性。新疫苗可能會在幾天而不是幾年內誕生,股票交易幾乎會立即解決,這使得值得花費數十億美元來加速光子和當今建造巨型冰箱。