科技信息: 實踐谷歌的量子計算機

21世紀是科技高速發展的時代，互聯網漸漸走入人們的生活。互聯網就像一張網。把我們緊緊聯系起來，現在的衣食住行都離不開互聯網科技，下面分享一篇關于互聯網科技的文章給大家。

我現在正站在加州戈萊塔市谷歌實驗室的一個巨型觸摸屏前，用手指在屏幕上移動包含X、Y、H等符號的小方塊。這些方塊代表的是可以在一個量子比特(一個量子比特)上執行的功能，這個量子比特位于附近一個巨大的銀色圓柱體內。在提供的無數函數中，有些函數會導致比特從1跳到0(或從0跳到1);一個是讓它繞軸旋轉。

顯示屏上的另一個正方形顯示了量子位的狀態，用一個看起來像棒棒糖的東西在球體內移動來表示，棒棒糖固定在球體的中心。當它移動時，它旁邊的數字在1萬到0萬之間波動。這是量子位的優點之一:它們不必是二進制位的全有或全無1或0，但可以占據介于兩者之間的狀態。這種“疊加”的特性允許每個量子位同時執行多個計算，以一種近乎奇跡的方式加速計算。盡管量子位的最終讀數是1或0，但所有這些中間步驟的存在意味著，經典計算機很難或不可能進行相同的計算。對于外行人來說，這個過程可能有點像魔術——一揮手，一觸屏，然后，轉瞬之間，一只兔子從量子帽子里被拉了出來。谷歌邀請我——以及其他一些經過挑選的記者——來揭開這個魔術的面紗，證明它一點也不神奇。

在屏幕的右半部分，彎彎曲曲的線條顯示了與量子位所執行的功能相對應的波形。在那個區域的旁邊是一個臺式打印機大小的盒子，它通過電線將這些波形以電脈沖的形式發送到銀色的圓柱體中。如果這個圓柱體是打開的，你會看到一系列的六個房間，層層排列，就像一個倒掛著金屬絲的婚禮蛋糕。每個房間都被冷卻到一個比上面那個冷得多的溫度;最下面的一層是寒冷的15毫米處，幾乎是外層空間深度的200倍。電線通過連續的階段繼電器控制信號從溫暖的外部世界和傳回結果從室。

這個腔室是真空的，隔絕了光和熱，否則就會破壞脆弱的量子位元，這些量子位元位于所有導線末端的芯片上，在黑暗和寒冷中被隔離。每個量子位寬約0.2毫米，大到可以用普通顯微鏡看到。但是，當它們被冷卻并遠離外界影響時，每一個都變成了讓電子自由流動的超導體，就好像它是一個單獨的原子，這樣量子力學的定律就可以擴展到支配它們的行為。

溫和的微波脈沖導致量子位元振動。當兩個相鄰的量子位元達到相同的共振頻率時，它們就會糾纏在一起——這是另一種量子力學性質，意思是測量其中一個的狀態就能知道另一個的狀態。不同頻率的電磁脈沖會導致比特翻轉。谷歌的量子軟件工程師Craig Gidney說，量子計算機就像一個裝有許多鐘擺的盒子。我和其他在房間外向它發送信號的人正在拉動鐘擺的弦，改變它們的擺動來執行不同的邏輯操作。

谷歌的量子團隊說，所有這些令人膽寒和震動的事情，已經使它達到了量子霸權的程度，在這一點上，量子計算機可以做一些普通的經典計算機做不到的事情。在本周發表于《自然》雜志上的一篇論文中，谷歌的工程師描述了他們用來證明霸主地位的一個基準實驗。他們的程序運行在50多個量子位上，檢查量子隨機數發生器的輸出。谷歌量子人工智能實驗室經理Hartmut Neven在Goleta基地的一次新聞發布會上說:“人造衛星也沒做什么。”“它繞著地球轉。但這是太空時代的開始。”

芝加哥大學(University of Chicago)專攻量子信息工程的凝聚態物理學家大衛·奧沙洛姆(David Awschalom)沒有參與這項研究，他也認為這個程序解決了一個非常特殊的問題，并補充說，谷歌不能聲稱自己擁有一臺通用量子計算機。他說，這樣的成就可能需要100萬個量子位元，而且是在很多年以后。但他相信，該公司的團隊已經達到了一個重要的里程碑，為其他科學家提供了真正的研究成果。“我對此非常興奮，”Awschalom說。“這類結果提供了一個非常有意義的數據點。”

谷歌的量子計算芯片，被稱為Sycamore，使用了53個量子位元來實現它的結果。芯片上的第54個失敗了。Sycamore的目標是隨機產生1和0的字符串，每個量子位一個數字，產生253位字符串(即約9.700199254740992千萬億位串)。由于量子位相互作用的方式，一些弦比其他弦更容易出現。Sycamore運行數字生成器一百萬次，然后對結果進行采樣，得出任何給定字符串出現的概率。谷歌團隊還在橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的超級計算機Summit上運行了一個更簡單的測試版本，然后從這些結果中推斷出Sycamore的結果。新芯片在200秒內完成了這項任務。研究人員估計，同樣的苦差事可能需要1萬年才能完成。

不過，IBM的一組研究人員本周早些時候在arXiv.org上發表了一篇預印本論文，他們認為，在理想的條件下，使用額外的內存存儲，Summit可以在兩天半內完成這項任務。IBM也在開發量子計算。”,因為這個詞的本義“量子至上”(加州理工學院理論物理學家)提出的2012年約翰Preskill,描述的是量子計算機可以做古典電腦不能,這個閾值沒有被滿足,“科學家們在IBM研究博客上的一篇文章中寫道。也許，谷歌的成就更應該被稱為“量子優勢”。

但是德克薩斯大學奧斯汀分校的理論計算機科學家Scott Aaronson(他有時與谷歌的研究人員合作)說，說量子霸權沒有實現是不正確的——即使它不是一個明確的“月球上的人”的結果。畢竟，梧桐樹公司在這項任務上還是比頂峰公司快得多。隨著谷歌的設置中量子位的數量增長，它的計算能力將呈指數級增長。將53個量子位移至60個量子位，該公司的量子計算機的計算能力將相當于33個Summit超級計算機。在70個量子位元時，一個類似峰會的經典超級計算機必須有一個城市那么大才能擁有同樣的處理能力。

Aaronson還懷疑谷歌所取得的成就可能已經有了一些意想不到的實用價值。它的系統可以用來產生可被量子物理定律證明為隨機的數字。例如，該應用程序可能會生成比人類或傳統計算機所能提供的強得多的密碼。

“我不確定正確的做法是爭論它是否是‘霸權’，”Awschalom說。他說，量子計算界尚未就比較不同量子計算機的最佳方式達成一致，尤其是那些基于不同技術的計算機。IBM和谷歌都使用超導體來產生量子位元，而另一種方法則依賴于被捕獲的離子帶電原子，這些原子懸浮在真空中，由激光束操縱。IBM提出了一個名為“量子體積”的度量標準，其中包括量子位元執行計算的速度、避免或糾正錯誤的能力等因素。

事實上，要制造出真正有用的裝置——包含數千個量子位元的裝置，量子計算機科學家必須掌握誤差修正技術。研究人員說，到那個時候，這些機器就可以對化學反應進行詳細的模擬，從而開發出新藥或更好的太陽能電池。他們還可以迅速破解用于保護互聯網數據的密碼。

然而，要達到這種性能，量子計算機必須自我修正，發現并修正其操作中的錯誤。當一個量子位元自發地從1翻轉到0，或者當它的量子疊加由于外界的干擾而衰減時，就會產生誤差。目前谷歌的量子位元在衰變前持續約10微秒。“它們的壽命是有限的，”該項目的研究人員之一Marissa Giustina說。“他們非常脆弱。它們與周圍環境相互作用，我們就失去了量子信息。”

傳統的計算機用冗余來處理誤差校正，通過測量成千上萬個電子而不是單個電子來決定一個數字位是開還是關。相反，量子位本質上是概率性的，所以試圖把它們聚集在一起來進行一次整體測量是行不通的。谷歌正在開發一種統計方法來糾正錯誤,和約翰?馬提尼,加利福尼亞大學的物理學家圣芭芭拉分校,與該公司合作開發無花果,說到目前為止,初步結果顯示沒有基本的方面,沒有中斷,這將防止糾錯越來越好。看來，演出還會繼續。

與此同時，谷歌的工程師們將致力于改進他們的量子位元以產生更少的誤差——這有可能使更多的量子位元互相連接。他們還希望縮小他們的大型打印機大小的控制盒，每個控制盒可以處理20個量子位和相關的電路，所以運行Sycamore的53個量子位需要3個。如果他們的系統發展到大約1000個量子位，它的冷卻需求將超過那些大型銀圓柱體的容量。

朱利安·凱利(Julian Kelly)在谷歌公司從事量子硬件和架構方面的工作。“我們已經證明量子硬件可以做一些極其困難的事情，”他說。“我們在一個以前沒有人能做實驗的地方運作。他說，這種進步的結果是什么，“我們還不知道，因為我們才剛剛起步。”