将模拟途径与数字途径的精华结合起来可能制成全规模多功能量子计算机
By Philip Ball | 2016年6月9日
30年来,研究者一直在探索通用量子计算机,这种设备可以解决任何计算问题,他们已经取得了不同程度的成功。如今,一支来自加利福尼亚和西班牙的团队已经制作了一台实验性的原型机,可以解决一大批化学和物理学领域的问题,而且有组装成为更大规模设备的潜力。
IBM和一家叫做D-Wave的加拿大公司通过不同的途径已经制作出了可以工作的量子计算机。但是他们的设备却不能方便的扩展到解决普通计算机无法解决的问题所需的很多量子比特。
来自位于加利福尼亚州圣芭芭拉的谷歌实验室的计算机科学家,来自加利福尼亚大学圣芭芭拉大学以及来自位于毕尔巴鄂的西班牙巴斯克大学的物理学家在《自然》杂志在线版上描述了他们新的设备。
“从很多角度来说,这都是一项杰出的工作,而且其中饱含着对整个量子计算社区大有裨益的宝贵经验,”Daniel Lidar说。Daniel Lidar是位于洛杉矶的南加州大学的量子计算专家。
谷歌的这款原型机整合了量子计算的两种主要途径。途径之一就是在搭建电脑的数字电路时将量子比特根据解决特定问题的需要排练成对应的顺序。这与传统的微处理器中用普通比特搭建的定制数字电路极为相似。
大多数的量子计算理论都是基于这一途径,其中就包括了修复那些可能导致计算结果偏差的错误的方法。目前为止,这种方法只能容纳有限的几个量子比特。
模拟途径
另一个途径则叫做绝热量子计算(AQC)。在这种途径下,计算机将一个给定的问题编码为一组量子比特的所处状态,然后慢慢得演化并不断调节其中的内在联系来“塑造”他们的共同量子态并最终解决得到答案。原则上讲,几乎所有的问题都可以用同样的一组量子比特来编码。
这一模拟途径的局限性主要来自于随机噪声的存在,与数字电路不同的是,这些噪声引发的错误难以被系统的纠正。另外,也没法保证这一方法能够有效地解决所有问题,谷歌团队的计算机科学家Rami Barends说。
然而,AQC却是第一个制造出来的商业化设备,由位于加拿大不列颠哥伦比亚省本拿比的D-Wave制造,每台售价大约1500万美金。谷歌公司有一台D-Wave设备,但是Barends及同事认为存在进行AQC更好的方法。
他们尤其想要找到错误修正的解决方法。缺了它,AQC将很难被扩展,因为系统越大,错误积累的越快。这个团队认为解决问题的第一步就是将AQC与有错误修正能力的数字途径结合起来。
虚拟化学
为了实现这一方案,谷歌团队使用了一组9个固态量子比特,用十字形的铝箔制成,间距约为400微米。它们被安置在蓝宝石表面。研究者们将铝箔降温至0.02开尔文,从而将金属变成了电阻为零的超导体。信息可以编译在处于超导状态的量子比特中。
相邻量子比特间的相互作用由“逻辑门”来控制,这些逻辑门以数字的形式操纵着量子比特形成编译着问题答案的量子态。作为演示的一部分,研究者们用他们的阵列模拟了一排处于耦合自旋态的磁性原子,这一问题已经在凝聚态物理学中得到了全面的研究。他们可以通过观察量子比特来确定这些原子自旋代表的能量最低的集体态。
这一问题对于普通计算机来说也属于比较容易解决的一类。但是,新的谷歌计算机却能够处理所谓的“non-stoquastic”问题,而这类问题是普通计算机无法解决的。解决这类问题需要模拟许多电子间的相互作用,因此需要化学领域精确的计算机模拟。能够在量子层面模拟这些分子和材料可能是量子计算最有价值的应用之一。
这一新的方法应该可以让计算机具备量子纠错能力,Lidar说。尽管研究者们没有演示这一点,但是这一团队前不久展示了如何在九个量子比特的机器上实现该功能。
“有了纠错能力,我们的方法就变成了一种通用算法,并且原则上来说,可以被随意扩展成为大型量子计算机。”谷歌团队的另一成员,Alizreza Shabani说道。
谷歌的设备仍然大体上是一台原型机。但是Lidar说,几年之内,该设备可能将容纳40个以上的量子比特变为现实。
“到那时候,”他说,“模拟传统设备无法模拟的量子动力学就将成为可能,并将标志着‘量子至上’时代的到来。”
译文:王冬博
审稿:张哲
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