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QC观察丨漫谈第一台量子计算机的起源

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发表于 2019-1-11 20:02:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
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早在1998年,两个团队就公布了第一次真实世界量子计算的结果。但第一批量子计算机根本不是计算机。它们是生物化学设备,是基于与核磁共振机相同的科学。

你可能会认为量子计算是计算机公司之间的一场狂热竞赛,旨在构建一种功能强大的处理设备,使人工智能更加逼真,革新医学,破解保护我们数据的加密技术。事实上,20世纪90年代末研制的这台量子计算机原型机间接为近几年谷歌和IBM制造的量子计算机提供了灵感。

但这并不是一切从物理学家为了好奇而琢磨数学和生物化学设备开始的。

“研制量子计算机的初衷并不是为了制造更好的计算机。”

麻省理工学院比特和原子中心主任尼尔·格申菲尔德(Neil Gershenfeld)告诉我:“制造更好的计算机并不是出于任何动机,而是为了理解宇宙是否计算,以及宇宙如何计算。”他也是首次实验实现量子算法的两个小组的成员。

计算机只是从抽象的输入开始,并对其应用一系列指令以接收输出的系统。现在的经典计算机将输入、指令和输出转换成开关,称为“比特”,等于“0”或“1”,其值控制其他开关。

科学家们长期使用计算机来模拟物理定律,希望更好地理解宇宙是如何工作的。例如,你可以根据球的起点和投掷速度来模拟球会飞多远。

但是,对著名的物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)来说,用比特来模拟物理并没有多大意义,因为最小尺度的物理定律是植根于一套称为量子力学的规则之中。

费曼在1981年的一次会议上说:“自然不是经典的,如果你想模拟自然,最好用量子力学。”

在接下来的十年里,一小部分科学家开始研究理论上如何使用这些规则来创建更好的模拟。它们的量子模拟比特不是开关,而是量子力学的双粒子波。每一个单独的量子比特仍然只有两种选择,但作为波,它们能以不同的强度同时呈现这两种状态中的任何一种,就像海浪一样相互作用——要么放大某些选择组合的强度,要么取消组合。

但是一旦你测量这些量子比特,每一个都会立即进入一个单一的状态。这些强度,或者说振幅,转化为最终得到每个结果的概率。

在20世纪90年代初,“人们认为量子计算本质上是疯狂的,许多人(据推测)甚至已经证明它永远不会奏效。”牛津大学物理学教授乔纳森·琼斯(Jonathan Jones)告诉我,他是第一个在真正的量子计算机上运行量子算法的人。主要是,人们认为这只是理论物理学家创造的一种奇特性质,他们想知道是否可以用计算机的语言来理解宇宙本身。

量子力学的限制——任何轻微的碰撞都能迅速将易碎的量子比特破碎成单态粒子——似乎也会使它们无法实现。

两个里程碑式突破改变了这些想法。物理学家彼得·肖(Peter Shor)在1994年公布了一种算法,该算法表明,基于量子比特的计算机能够以指数倍速度计算出大数,比最好的、基于比特的算法快得多。如果科学家们能发明一台足够先进的量子计算机来运行算法,那么它就可以破解当今流行的加密系统,因为经典计算机很容易将两个大素数相乘,却很难将结果进行因数分解。

第二个转折点出现在90年代中期,当时物理学家开始提出误差校正的概念,即在一系列相关的量子比特之间传播一个量子比特的信息,以减少误差。

但即使在那之后,这个领域还是很小,我们采访的物理学家甚至讨论说,估计一个小房间就可以足以用来给世界上大部分量子计算科学家开会。量子计算的先驱,如查理·贝内特(Charlie Bennett)、艾萨克·庄(Isaac Chuang)、赛斯·劳埃德(Seth Lloyd)和大卫·迪维森佐(David DiVincenzo ),提出了许多新的想法,这些想法迅速渗透到整个社会。

几乎同时,几个独立的小组认识到,医学和生物化学工业长期以来一直在使用量子计算机研究核磁共振(NMR),或核磁共振光谱仪。

核磁共振,即核磁共振成像背后的技术,最常见的是由置于强磁场内、溶解在液体溶剂中的分子组成。这些分子中的原子核有一种与生俱来的量子力学性质,称为“自旋”,它本质上是磁信息的最小单位,可以处于“向上”或“向下”两种状态之一。这些自旋方向与磁场方向一致。

在医学和生物化学中,科学家们将用更小的振荡磁场(称为射频脉冲)撞击分子,使原子释放出能提供分子物理信息的特征信号。磁共振成像或核磁共振机器使用这个信号来创建图片。

但物理学家们意识到,他们可以把磁场中的某些分子当作量子计算机来处理,在量子计算机中,原子核充当量子比特,自旋态是量子比特值,射频脉冲既是指令又是控制器。这些是量子计算机的操作,也被称为逻辑门,就像经典计算机中的逻辑门一样。

“从某种意义上说,核磁共振实际上已经领先其他领域几十年了。”生物化学家琼斯说,他与物理学家米歇尔·莫斯卡(Michele Mosca)合作进行了第一次量子计算。“他们早在70年代就做过逻辑门。他们只是不知道自己在做什么,也不把它称为逻辑门。”

Chuang,Gershenfeld和戴维·科里(David Cory)等物理学家在1997年发表了论文,详述了如何实现这些装置。一年后,两个团队,一个由琼斯和莫斯卡带领,另一个是Chuang 和马克·库比尼克(Mark Kubinic)带领,实际执行了量子算法。

前者由胞嘧啶分子组成,其中两个氢原子被氘原子取代——带有一个中子的氢原子。后者使用氯仿分子。他们将量子比特制备成初始状态,应用特制的射频脉冲进行计算,并测量最终状态。

“他们早在70年代就做过逻辑门。他们只是不知道自己在做什么,也不称之为逻辑门。”

我们今天不经常听说核磁共振量子计算机,因为即使在那时,物理学家也知道这项技术有其局限性,这是上述所有物理学家所说的。

更多的量子比特将意味着更多精心设计的分子。这些技术是基于特殊的解决方法,这样每增加一个量子比特就很难从环境噪声中提取信号。琼斯说:“当时,没有人认为除了演示,它会被用于更多活动。”它们甚至不能扩展到几个量子比特。

尽管如此,它们还是物理学家现在谈论的重要实验。核磁共振机器对生物化学仍然至关重要,在量子技术中仍占有一席之地。但这项早期工作对该领域产生了重要的间接影响。这些射频脉冲背后的科学一直在谷歌、IBM和其他公司为控制其量子比特而制造的量子计算机中发挥着作用。

即使是现在,距离实现运行Shor算法的量子计算机仍需要几十年的时间,但公司已经开始推出带有几十个量子比特的真正设备,这些量子比特可以进行基本的、清晰的量子计算。

IBM研究员、量子计算专家查利·班纳特(Charlie Bennet)解释说,这些实验本身并不是巨大的发现,事实上,在量子计算出现之前,核磁共振界一直在推进自己的科学和射频脉冲。一位物理学家解释说,在20世纪90年代末,没有人“赢”,也没有“竞赛”。

相反,它是一条不断进步的道路上的一个过渡点,在这个时间点,一群科学家都认识到人类拥有控制量子态并将其用于计算的技术。

“科学总是这样。证据比任何一篇论文都重要。”班纳特说。“现在,已经有了重要的发现——但它们很少出现在单独的论文中。”

本文由量子计算最前沿基于相关资料原创编译,转载请联系本公众号获得授权。


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