【前沿动态】谷歌开发通用量子计算机取得重要突破 | 附量子计算机的七大惊人颠覆
来源：新浪科技，作者：维金
题图：D-Wave量子计算机芯片
北京时间6月12日上午消息，过去30年，研究人员一直试图开发能解决任何计算问题的通用量子计算机。目前，来自美国加州和西班牙的一支团队开发了一款原型设备，能解决物理和化学领域的多种问题，而未来还有可能被应用至更广泛的领域。
IBM和加拿大公司D-Wave此前利用不同方式开发了可提供一定功能的量子计算机。然而，这样的设备无法扩大至更多量子位，从而解决传统计算机无法解决的问题。
来自加州圣芭芭拉谷歌研究实验室的计算机科学家，以及加州大学圣芭芭拉分校和西班牙巴斯克大学的物理学家近期在《自然》杂志上介绍了他们的最新设备。
南加州大学量子计算专家丹尼尔·利达尔(Daniel Lidar)表示：“从许多方面来看，这都是出色的成果，吸取了量子计算行业许多有价值的经验。”
谷歌的原型产品结合了两种量子计算技术。其中一种技术使用针对特定问题、有着特殊排列的量子位去设计计算机数字电路。这类似于传统微处理器中的订制数字电路。
量子计算理论的很大一部分基于这种技术。这其中也包括避免计算结果偏离的误差修正方法。不过到目前为止，基于这种技术的量子计算机只限于几个量子位。
另一种技术称作“绝热量子计算(AQC)”。计算机将特定问题编码为一组量子位，并逐步调整这些量子位之间的互动，以“塑造”共同的量子态，得出解决方案。从理论上来说，任何问题都可以被编码为一组量子位。
谷歌团队的计算机科学家拉米·巴伦兹(Rami Barends)表示，这种技术受到随机噪声效应的限制，而这种效应会引入系统无法修正的误差。此外，这种技术也无法保证有效地解决任何问题。
不过，全球首款商用的量子计算设备正是基于AQC技术。这款产品来自英国公司D-Wave，价格约1500万美元。谷歌也拥有一台D-Wave的设备。不过，巴伦兹及其同事认为，有更好的方式去利用AQC技术。
他们希望找到某种误差修正方式。如果没有误差修正，那么利用AQC技术去扩大计算规模将非常困难，因为在更大的系统中，误差的积累将会很快。该团队认为，实现这一目标的第一步是将AQC技术与数字方法中的误差修正技术结合在一起。
在研究中，谷歌的团队采用了9个固态量子位。这些量子位由十字形的铝制薄膜制成，宽度约为400微米。随后，这些量子位被固定在蓝宝石表面上。研究人员将这些铝制薄膜的温度降低至0.02开尔文(约零下273摄氏度)，使金属成为超导体，电阻完全消失。利用这些超导态的量子位，研究人员可以向其中编码信息。
相邻量子位的互动由“逻辑门”控制。逻辑门利用数字方式去操控量子位，使其进入某种状态，从而得出问题的解。在演示中，研究人员对量子位进行排列，使其模拟有着一定自旋态的磁性原子阵列。这样的问题已经在凝聚态物理中得到了充分研究。研究人员随后可以通过量子位去确定总势能最低的原子自旋态组合。
对传统计算机来说，这是个非常简单的问题。不过，谷歌的新设备也可以处理所谓的“non-stoquastic”问题，而这是传统计算机做不到的。这其中包括对多个电子互动的模拟，这以往需要准确的化学计算机模拟。从量子层面模拟分子和其他物质将是量子计算最有价值的应用。
利达尔表示，这种新方法将使量子计算机可以进行量子误差修正。尽管研究人员尚未做出证明，但该团队此前表示，在9个量子位的设备上可以做到这点。
谷歌团队的另一名成员阿里雷扎·沙巴尼(Alireza Shabani)表示：“凭借误差修正，我们的技术可以成为通用算法，从而拓展至任意的大型量子计算机。”
谷歌的设备目前基本上停留在原型产品阶段。不过利达尔表示，在未来几年中，超过40个量子位的设备将成为现实。
他表示：“届时，对量子动力学的模拟将成为可能，而这是传统硬件做不到的。这意味着‘量子霸权’的到来。”
延伸阅读：
量子计算机的七大惊人颠覆：
再也不会堵车
[摘要]量子计算机能提供更为精准的天气预报、再也没有交通拥堵噩梦，还有安全的加密通信。
来源：腾讯科技、BI中文站，作者：风帆
建立于量子物理学奇异原理基础之上的超快计算机即将诞生，届时它将改变一切。量子计算机公司D-Wave联合创始人埃里克·勒迪辛斯基（Eric Ladizinsky)2014年在伦敦参加会议时，解释了常规计算机与量子计算机之间的区别。
想像一下，你被要求5分钟内在国会图书馆某一本书的某页上找到一个大写字母“X”，这几乎是不可能的，因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中，每个现实都可以查看不同的书籍，你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中，普通计算机就是像疯子一样的那个你，需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个，每个只需翻找一本书即可。
这听起来好像魔法或巫术，但你并非唯一这样认为的人。著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）曾说过：“如果你自以为已经理解了量子物理学，实际上你并未真正理解它。”底线是，普通计算机只能按照时间顺序一个个地解决问题，而量子计算机却可以同时解决多个问题。这种超快速度可能彻底改变所有行业。
量子计算机不仅速度超快，与普通计算机相比，它还能解决复杂得多的问题。在寻找问题解决方案的时候，它们与人类极为相似，这将令它们可以执行许多人类才能胜任的工作。在全功能的量子计算机诞生前，我们肯定还有很多技术问题有待解决。但是美国主流网络媒体BI评选出量子计算机最令人激动的7大应用，它们或以这些方式改变世界：
1.提供更为精准的天气预报
量子计算机初创企业QxBranch的董事会成员雷伊·约翰逊（Ray Johnson）表示，即使用最尖端的仪器分析温度和压力时，也会出现太多可能性，气象模拟变化多端，而当前的天气预报多数也都属于经过分析的大致猜测。但量子计算机可以一次分析所有数据，向我们提供更好的模型，精准地显示恶劣天气会在何时何地出现。我们可以提前得知飓风等灾难来袭，并有额外时间拯救更多生命。
谷歌工程主管哈特穆特·奈文(Hartmut Neven)同时指出，量子计算机可以帮助建立更好的气象模型，这可以让我们更深入地了解人类如何影响环境，并帮助我们确定现在能够采取哪些措施，以便能预防灾难发生。了解更多有关气候如何变化的趋势，从长期来看将对我们有很大帮助。
2.药物发现过程更高效
开发一种新药是非常复杂的过程。化学家们需要进行无数不同分子组合方式试验，以找到可真正有效治愈疾病的药物特性。这一过程可能需要数年时间，耗费数百万美元资金。但化学家们将这些组合进行后期实验时，依然会有很多组合失败。
而量子计算机可以绘制出数以万亿计的分子组合模式，并迅速确定最有可能生效的组合，这将大大节省研发成本和药物研发时间。与我们当前所用方式相比，量子计算机为人类基因分析排序的速度也更快，这将帮助研发个性化药物和医疗保健方式。
比如，现在很多药物无法投入市场，因为一部分人对其反应特别严重。为此，我们通常会选择放弃这种药物，尽管其可能对许多人有很大帮助。随着个性化基因分析的出现和了解更多药物原理，我们将可以预测出这些不良反应。
3.再也没有交通拥堵噩梦
量子计算机可以简化空中和地面交通控制的工作量，因为它们善于迅速计算出最佳路线。如果你计划公路旅行，期间要在10个不同的地方停留，普通计算机可能需要单独计算所有可能路线的长度，然后筛选出最佳路线。而量子计算机可以同时计算所有路线的长度，并以更快的速度筛选出最佳路线。
使用量子计算机对空中交通模式进行复杂分析，意味着可进行更高效的飞行调度，并节省出行所需时间，因为我们可以更好地避免机场飞机起飞和着陆造成的瓶颈。同样的技术也可被应用到高速公路和复杂城市电公路网中，以避免拥堵。
4.可加强军事和国防
约翰逊说，卫星不断收集大量照片和视频资料。任何人都不可能搜遍和分析如此多的数据，因此很多数据只是被扔在一边。在某些被丢弃的数据中，我们可能错过关键情报。
但量子计算机却可以比普通电脑或人类快得多的速度筛选大量数据，并向我们提供哪些照片或视频应该做进一步分析，哪些可以忽略和丢掉。普通计算机也不太擅长“瓦尔多在哪儿？”此类识别任务，但像人一样，量子计算机却非常善于从混乱的背景中找出具体细节。
5.安全的加密通信
无论我们自己是否意识到，我们实际上一直都在使用加密技术。当我们查看电子邮件或使用信用卡网上购物时，我们都非常依赖加密技术。通过使用与量子计算机类似的怪异量子力学特性，加密技术将变得更加安全。
这种超级安全通信被称为“量子密匙分配”，它允许某人发送信息给其他人，而只有使用量子密匙解密后才能阅读信息。如果第三方拦截到密匙，鉴于量子力学的怪异魔力，信息会变得毫无用处，也没人能够再读取它。这种通信技术的初级版本已经在欧洲一些地方开始使用，但依然无法在美国大规模使用。
但是量子计算机的同样原理可令通信变得更加安全，量子计算机可令破解我们当前使用的加密信息更为容易。爱德华·斯诺登（Edward Snowden）曝光的NSA绝密文件中称，NSA也有开发量子计算机的计划。如果黑客获得量子计算机，银行和政府等老式加密数据可能陷入严重危险中。
6.加速太空探索
利用开普勒太空望远镜，天文学家已经在太阳系外发现近2000颗系外行星。开普勒的任务还包括盯紧这些行星，等待它们从宿主恒星前面通过。届时，这些系外行星会投下阴影，天文学家可分析和预测这些行星上的大气状况，以及它们是否适合生命生存。
量子计算机可应付太空望远镜获得的更多数据，并发现更多系外行星，帮助迅速确认哪些行星最有可能适合生命生存。量子计算机甚至能够发现开普勒望远镜错过的系外行星。
7.机器学习和自动化
这听起来似乎令人觉得毛骨悚然，但像人类一样，量子计算机可从经验中吸取教训。它们可自我纠错，比如，量子计算机实际上可以修改出现乱码的程序代码。这一概念被称为机器学习，与Facebook新闻流会根据你的“点赞”而进行相应变化类似，只是更为复杂。
量子计算机的机器学习可帮助我们更快、更高效地做很多事情，量子计算机功能的持续改善可能促使半自动车辆和其他先进人工智能诞生。所有这些应用都令人激动不已，但要实现这些目标，我们依然有很长的路要走。很多公司和机构都在研发量子计算机，包括谷歌和美国宇航局等。当这些大公司和机构参与到类似前沿技术中时，我们通常不会等太久就会看到重大突破。
约翰逊认为，我们正处于“大发现”的风口浪尖上。这些“大发现”将有助于改善各种应用，而且实际上这还仅仅是个开始。他说：“我认为量子计算机将有很多我们今天无法想象的应用。”
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