計算機模擬中的量子飛躍
物理學家已成功運行迄今為止最大的量子計算模擬，這是實現量子準備的關鍵一步。
圖片來源：墨爾本大學
如果一輛量子計算機是一輛賽車，它的速度不會超過一級方程式賽車，那麼它在比賽開始信號發出之後，只需一條私人捷徑即可出現在終點線上。如果你走過去查看發動機罩下方的情況，發動機會立即坍塌成一個隨機部件，比如火花塞。
這是量子世界的怪誕，正如愛因斯坦所說，原子層面的物理正常定律變得「詭異(spooky)」。
如果一台量子計算機是一輛汽車，那麼它將成為一輛能夠在解決從A到B的問題上取得令人難以置信的快速直接捷徑的汽車。圖片來源：Pixabay
量子計算機利用量子物理，通過篩選和調整概率，快速發現問題的正確答案，而傳統的計算機將耗費大量的時間和精力來查看每個潛在的答案。
但墨爾本大學的物理學家已經表明，在傳統電腦中還有很多生命。他們在模擬傳統計算機上的量子力量方面樹立了新的世界紀錄，展示了比任何現有的小型量子計算機原型處理更多繁重的量子數據。
模擬量子以更好地了解它
這意味著科學家們擁有一個強大的新模擬工具來捕獲和理解量子態並開發量子計算軟體。最終，它將幫助我們理解並測試最終擴大的量子計算機將用於的各種問題，因為量子硬體將在未來十年左右被開發出來。
墨爾本大學Thomas Baker講座教授Lloyd Hollenberg說：「在這個層次上模擬量子演算法的能力對於了解量子計算機如何在物理上運行，軟體如何工作以及可以解決什麼樣的問題很重要。」他領導著該團隊，並擔任量子計算和通信技術中心的副主任。
雖然量子計算機原型目前太小，無法做到傳統計算機無法實現的有用功能。但是量子硬體正在快速發展，量子計算機由於存在兩個量子怪異現象——「疊加」和「糾纏」，因此它有可能比傳統計算機更有力地解決某些問題。
焦點問題
傳統計算機通過編程比特(bit)來工作，比特是最基本的數據形式。比特是二進位的，可以是0或1，並通過被編程以編碼數據和處理數據。但在量子計算機中，比特或量子比特是量子力學對象，如原子。量子態也可以是二元的，可以是兩種可能性中的一種，或者二者同時生效。量子疊加意味著兩個量子在某種意義上可以同時是0和1的全部四種組合。
這種獨特的數據處理能力進一步受到糾纏的推動，其中一個量子比特的狀態神秘地支配了另一個量子比特的狀態。
運動中的量子計算展示了不同概率的「森林」，機器使用其來更有效地指導機器解決問題。上面的例子是一個量子計算機的模擬，用Shor演算法找到一個數的主要因素。圖片來源：Matthew Davis, Gregory White和Aidan Dang
在傳統計算機上模擬量子比特及其量子過程或「程序」是理解最終擴展型實用量子計算機如何進行實際工作的關鍵步驟。
問題在於，使用傳統技術來模擬比任何現有量子原型大得多的任意量子過程很快就會需要Hollenberg教授在傳統計算機上稱的「行星級」存儲器。
為了解決這個問題，他的團隊給這個模擬提供了一個特定的數學問題讓其解決。具體而言，他們不需要模擬整個量子態以模擬大規模的量子計算。
想像有十億台攜帶型電腦
為了讓你了解量子計算的巨大存儲能力，最大的原型之一是IBM的新型50 qubit機器，它原則上可以同時代表約1億個數字組合。
為了模擬隨機量子態，該機器將消耗大約18 petabytes傳統計算機內存，或者相當於超過一百萬個16G內存的筆記本電腦。迄今為止，IBM的研究人員已經能夠以精心選擇的狀態典型地模擬56個量子比特。
但是，Hollenberg教授的團隊已經遠遠超過了這一點，並模擬了一個60-qubit機器的輸出，它代表了整個數字量子空間需要大約18,000 petabytes或超過十億台筆記本電腦——遠遠超過了最大的超級計算機。
「大約50個量子比特的真正隨機狀態幾乎是目前可以模擬的極限，但是如果你考慮量子計算機做一些有用的事情，如運行演算法，它不再處於隨機量子態，而是在一個特定的量子態，這就可以佔用更少的內存來模擬。」Hollenberg教授說。
位於西澳Pawsey超級計算中心的「Magnus」超級計算機，研究人員用它來運行量子計算模擬。圖片來源：Pawsey超級計算中心
墨爾本大學理學碩士學生Aidan Dang開發並運行了創紀錄的模擬，要求它找到兩個素數，乘以一個等於半素數961,307的數字。量子計算機將使用由數學家Peter Shor制定的運行量子因子分解演算法的60個量子比特來執行此任務。這種分解計算可以在筆記本電腦上完成，但它超出了當前量子計算機原型的極限。但墨爾本團隊的模擬能夠解決它，因為包含60個量子比特的量子計算機在西澳的Pawsey經典超級計算機上僅使用13.8 terabytes的存儲器。
「這個模擬在Pawsey超級計算中心幾乎用完了我們所有的分配計算時間，但我們做到了。」 Aidan Dang說。「我們現在可以使用結果來確定首批全規模量子計算機如何工作的線索。」
超級破譯者
分解半數數字(semiprime numbers)的難度是互聯網安全的核心，因為當使用具有多位數的大數字時，傳統計算機幾乎不可能計算因子來破解安全密鑰。
這將需要一台傳統超級計算機耗費超過宇宙整個壽命的時間來破解現在正在使用的一些安全碼，但是一個足夠大的量子計算機在理論上將能夠解決這些問題。
「使用普通計算機可以很容易地找到961,307的質數因子，但隨著數字大小的增加，一個足夠大的量子計算機將超過任何超級計算機。」墨爾本大學物理學家Charles Hill博士說。Charles Hill是量子模擬器開發團隊的一員。
為量子世界做準備
「我們模擬大量子系統的能力是我們在這個領域研究和教學的主要能力之一，」Hollenberg教授說。「這將使我們能夠開發量化計算軟體和制定基準，並向人們傳授量子計算機的工作方式。」
Hollenberg教授說具有100到1000個量子比特的可靠量子計算機可能有足夠的能力開始解決傳統計算機無法處理的問題，也許只有5到10年的時間就可以實現。
在一台經典的計算機上模擬一個更大的量子過程是理解它如何最終如何擴展的關鍵步驟。圖為量子計算髮展的一個例子——晶元上的離子阱，其中帶電的原子粒子懸浮在磁場和電場中，使得它們的量子特性可以被激光器操縱。圖片來源：Getty圖片社
未來的全規模通用(糾錯)量子計算機將能夠解決從用於藥物開發和天氣預報的複雜建模到優化諸如運輸系統等大型系統的問題，並且甚至可能擴展機器學習的範圍。
但他表示，量子計算機模擬和原型機的准入對於量子計算機世界的準備至關重要，並且補充了澳大利亞在硬體開發方面的重點。
「我們多年來一直在發展我們的量子計算機模擬能力，這個結果令人興奮。由於IBM現在已經達到了基於超導體技術的50個量子比特的標記，因此在此級別及更高級別上模擬量子演算法的能力對於理解真實機器的性能和潛力至關重要。」
「這意味著我們現在可以開始與業界進行關於量子計算應用的互動，並開始培訓第一代量子程序員。」Hollenberg教授說。
Hollenberg教授說：「構建包含數百萬量子比特的全規模量子計算機的競賽是一個長期的前景，而澳大利亞的重點放在硅基的硬體上，這可能會擴展到該水平。」
「量子計算領域自然會有大量的炒作，我們需要開始研究，以便讓人們了解量子計算機與常規計算機有何根本區別，了解它們可以應用於哪些問題以及我們可能可以實現的增速。
「將問題與量子計算機的邏輯介面需要全新的思維和技巧。在這個早期階段，量子編程高度依賴於問題，需要專業人員的培訓。在墨爾本大學我們已經認識到這一點，並在2018年將運行我們的第一個正式的量子計算主題，涵蓋所有這些方面。」
「從本質上說，隨著全球硬體開發的加速，學術界、政府和工業界都需要"量子準備"。」
墨爾本大學首個量子計算課程於7月份開課。量子計算簡介中涵蓋了量子處理器的數字和模擬方法中量子邏輯運算的基本原理，量子糾錯以及量子演算法在實際問題中的實現。在基於實驗室的課程中，學生將學習使用最先進的量子計算機編程和模擬環境來完成一系列項目。
本文由量子計算最前沿基於相關資料原創編譯，轉載請聯繫本公眾號獲得授權。
TAG:量子計算最前沿 |