量子競賽
20世紀90年代,量子比特只是一個純理論構想??茖W家們需要找到或創(chuàng)造一種既小到能夠遵守量子力學定律,又大到能夠控制的東西。
過去十年里,谷歌、亞馬遜、微軟、IBM等公司你追我趕,都想成為第一個制造出量子計算機的公司。
2013年,谷歌建立了量子人工智能實驗室,致力于通過超導量子比特,實現(xiàn)量子計算。超導量子比特的研發(fā)是基于一種被稱為約瑟夫森結的獨特結構——一種特殊構造的微小金屬環(huán),具有非線性特性,可以被限制在兩種狀態(tài)的疊加。本質上,它就像一個開關。谷歌和IBM等公司都將超導量子比特作為量子計算機的突破方向。
在谷歌實驗室中,梅格蘭特解釋了如何使用微波脈沖將每個量子比特的能量狀態(tài)在0到1之間轉換,以及研究人員如何修改每個狀態(tài)的閾值和量子比特之間的耦合強度來實現(xiàn)糾纏。
但這些必須在極低的溫度下進行,因為所有類型的量子比特都非常挑剔——最輕微的干擾都能使疊加狀態(tài)消失,所以需要盡可能地把它們與環(huán)境隔離,但同時還要想辦法控制它們。
微軟工程師正在組裝量子計算機低溫恒溫器的“枝形吊燈”
微軟和谷歌目前都在制造一種可以在較低溫度下工作的芯片,從而在不增加干擾的情況下控制量子比特。這是一場與時間賽跑的比賽,必須在量子比特疊加狀態(tài)消失之前的幾分之一秒內完成盡可能多的運算。
在過去十年中,量子比特的數(shù)量在不斷升級。2016年,谷歌用9個量子比特模擬了一個氫分子;2017年,英特爾實現(xiàn)了17個量子比特;同年,IBM宣布制造了一個50個量子比特的芯片,可以將量子疊加狀態(tài)維持90微秒;2018年,谷歌推出了擁有72個量子比特的處理器Bristlecone……
谷歌的Sycamore芯片只擁有54個量子比特,但是這些量子比特被安排在一個網格中,加快了計算速度。在2019年伊始,谷歌團隊逐漸增加了實驗難度。起初,一切看起來進展順利,但幾個月后,他們發(fā)現(xiàn)量子芯片的性能出現(xiàn)了顯著下降,其復雜度與超級計算機模擬量子比特的復雜度差不多。
遇到一個問題,很難知道是由于制造錯誤、噪音和干擾,還是因為遇到了一個本質問題——一些未被發(fā)現(xiàn)的宇宙定律。“也許量子力學在30個量子比特就停止了,”梅格蘭特開玩笑說。
最后,他們發(fā)現(xiàn)問題是一個校準錯誤引起的。但一些研究人員認為,可能還有其他影響因素,因為即使谷歌盡一切努力保護量子比特不受干擾,計算錯誤率仍舊居高不下。當然,我們可以對這些錯誤進行校正,但需要更多的量子比特——然后需要更多的量子比特來校正這些量子比特。
這就是為什么創(chuàng)造了“量子霸權”一詞的物理學家約翰·普萊斯基爾(John Preskill)認為,我們離真實的量子計算機還有很長的路要走。也因此,微軟確信超導量子比特是一條走不通的死胡同。微軟量子硬件部門的總經理凱坦•納亞克(Chetan Nayak)說:“商用量子計算機怎樣解決傳統(tǒng)計算機無法解決的問題,我們看不到任何希望。”
微軟選擇了另外一條道路:微軟目前正在測試一種低溫恒溫器,看起來和谷歌的恒溫器非常相似,但是將用于一種不同類型的量子處理器。
如果說谷歌登上量子霸權山頂?shù)穆贩浅F閸纾敲次④浺苍S一開始就走錯了方向。他們試圖利用一種被稱為“拓撲量子比特”的東西來代替超導量子比特。唯一的問題是,這種東西可能并不存在。
拓撲量子比特是基于一種叫做馬約拉納費米子的粒子,能同時在多個地方編碼量子比特的狀態(tài)。納亞克用《哈利·波特》中的例子來解釋拓撲量子比特:
“故事的反派Boss伏地魔把靈魂做成了七個魂器,藏在不同的地方,這樣他就不會被殺死。”“我們用拓撲量子比特所做的,就是將我們的量子比特分散到6個馬約拉納費米子上,這就是我們的魂器。僅僅對它們中的一個或另一個做點什么,是不能殺死“伏地魔”的,量子比特仍然在那里。”
但是科學家們始終無法確定馬約拉納費米子是否存在。自20世紀30年代以來,人們就開始將其理論化,但實驗證據(jù)并非無懈可擊。盡管如此,微軟卻很自信。 內/容/來/自:中-國-碳-排-放*交…易-網-tan pai fang . com
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