量子计算进展和前景:美国科学院等机构专家委员会报告总结

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为什么建造和使用量子计算机具有挑战性

经典计算机使用“位”来表示操作值,而量子计算机使用“量子位”。“位”只能表示0或1,而“量子位”不仅可以表示0或1,还可以表示这两者的某种组合(叠加状态)。在经典计算机中计算状态是由二进制值表示,在相同的情况下,具有相同数量的量子比特的量子计算机可以跨越所有可能的计算状态,在更大的指数空间中进行计算。实现这个空间需要所有的量子位都是内在相互联系的(纠缠),与外部环境有很好的隔离,并且可以得到精确的控制。

过去20多年的创新进展使得科研人员能够建立这一物理系统,这些系统可以精确地控制和隔离量子。到2018年,大多数量子计算机开始使用由超导电路产生的捕获离子和人工“原子”这两种技术,目前还在探索其他的技术,用于实现量子比特。考虑到该领域的快速发展,我们不能仅仅依靠一种技术。

即使有人能够制造出非常高质量的量子比特,但是利用这些建造量子计算机也会有一系列新的挑战。它们的使用与经典计算机不同,需要新的算法、软件、控制技术和硬件。

技术风险

量子比特不能从本质上隔离噪声

经典计算机和量子计算机的主要区别之一是,它们如何处理系统中微小的干扰噪声。因为经典的“位”不是0就是1,即使由于噪声稍微偏离,对信号的操作处理也很容易将噪声消除。实际上,今天用于控制经典计算机的操作位有很大的噪声边际,但是在经典计算机中可以抑制输入端的噪声污染,产生干净无噪声的输出。因为量子位可以是0和1的任意组合,所以量子位不能轻易地隔离物理电路中出现的噪声。因此,创建量子位操作时的小错误或者物理系统中的杂散信号会导致量子计算错误。所以对于操作量子位的系统来说,最重要的设计参数之一是其错误率,低错误率一直很难实现。即使在2018年,已经出现5个或者更多个量子位系统,其错误率也超过几个百分点。在较小的系统中一般可以有效的控制错误率,这种改进的思想需要转移到更大的量子位系统中,这样才能成功的进行量子计算。

无误差的量子计算(QC)需要进行量子误差校正(QEC:Quantum Error Correction)

虽然物理量子比特的操作对噪声很敏感,但是可以在量子计算机中运行量子误差校正算法来模拟无噪声或者完全校正的量子计算。如果没有量子误差校正,像肖尔算法这样复杂的程序就不太可能在量子计算机上准确运行。但是执行量子误差校正算法需要更多的量子比特,使得计算机的开销增大,这虽然对于无错误的量子计算至关重要,但是因为开销过大,短时间内无法适用。并且量子计算机在短期内还是可能出现计算错误。上面这种机器被称为中尺度噪声量子(NISQ)计算机。

大数据无法有效地加载到量子计算中

虽然量子计算机可以使用较少的量子位表示更大量的数据,但是目前还没有一种方法可以将大量的数据转化为量子态。对于大量数据输入的问题,创建输入量子态所需要的时间会占据大部分计算时间,使量子计算的优势大大降低。

量子算法的设计具有挑战性

测量量子计算机的状态需将大量的量子态“折叠”成单个经典结果,这意味着,从量子计算机中所能提取的数据量与从同样大小的经典计算机中提取的数据量相同。但未来想要发挥量子计算机的优势,量子算法必须使用独特的量子特征(如纠缠现象),以获得最终的经典结果。因此,实现量子算法需要全新的设计原则。量子算法的开发是量子计算机实现的一个关键方面。

 

本文来源:观察者网

 

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