科技信息: 实践谷歌的量子计算机

21世纪是科技高速发展的时代，互联网渐渐走入人们的生活。互联网就像一张网。把我们紧紧联系起来，现在的衣食住行都离不开互联网科技，下面分享一篇关于互联网科技的文章给大家。

我现在正站在加州戈莱塔市谷歌实验室的一个巨型触摸屏前，用手指在屏幕上移动包含X、Y、H等符号的小方块。这些方块代表的是可以在一个量子比特(一个量子比特)上执行的功能，这个量子比特位于附近一个巨大的银色圆柱体内。在提供的无数函数中，有些函数会导致比特从1跳到0(或从0跳到1);一个是让它绕轴旋转。

显示屏上的另一个正方形显示了量子位的状态，用一个看起来像棒棒糖的东西在球体内移动来表示，棒棒糖固定在球体的中心。当它移动时，它旁边的数字在1万到0万之间波动。这是量子位的优点之一:它们不必是二进制位的全有或全无1或0，但可以占据介于两者之间的状态。这种“叠加”的特性允许每个量子位同时执行多个计算，以一种近乎奇迹的方式加速计算。尽管量子位的最终读数是1或0，但所有这些中间步骤的存在意味着，经典计算机很难或不可能进行相同的计算。对于外行人来说，这个过程可能有点像魔术——一挥手，一触屏，然后，转瞬之间，一只兔子从量子帽子里被拉了出来。谷歌邀请我——以及其他一些经过挑选的记者——来揭开这个魔术的面纱，证明它一点也不神奇。

在屏幕的右半部分，弯弯曲曲的线条显示了与量子位所执行的功能相对应的波形。在那个区域的旁边是一个台式打印机大小的盒子，它通过电线将这些波形以电脉冲的形式发送到银色的圆柱体中。如果这个圆柱体是打开的，你会看到一系列的六个房间，层层排列，就像一个倒挂着金属丝的婚礼蛋糕。每个房间都被冷却到一个比上面那个冷得多的温度;最下面的一层是寒冷的15毫米处，几乎是外层空间深度的200倍。电线通过连续的阶段继电器控制信号从温暖的外部世界和传回结果从室。

这个腔室是真空的，隔绝了光和热，否则就会破坏脆弱的量子位元，这些量子位元位于所有导线末端的芯片上，在黑暗和寒冷中被隔离。每个量子位宽约0.2毫米，大到可以用普通显微镜看到。但是，当它们被冷却并远离外界影响时，每一个都变成了让电子自由流动的超导体，就好像它是一个单独的原子，这样量子力学的定律就可以扩展到支配它们的行为。

温和的微波脉冲导致量子位元振动。当两个相邻的量子位元达到相同的共振频率时，它们就会纠缠在一起——这是另一种量子力学性质，意思是测量其中一个的状态就能知道另一个的状态。不同频率的电磁脉冲会导致比特翻转。谷歌的量子软件工程师Craig Gidney说，量子计算机就像一个装有许多钟摆的盒子。我和其他在房间外向它发送信号的人正在拉动钟摆的弦，改变它们的摆动来执行不同的逻辑操作。

谷歌的量子团队说，所有这些令人胆寒和震动的事情，已经使它达到了量子霸权的程度，在这一点上，量子计算机可以做一些普通的经典计算机做不到的事情。在本周发表于《自然》杂志上的一篇论文中，谷歌的工程师描述了他们用来证明霸主地位的一个基准实验。他们的程序运行在50多个量子位上，检查量子随机数发生器的输出。谷歌量子人工智能实验室经理Hartmut Neven在Goleta基地的一次新闻发布会上说:“人造卫星也没做什么。”“它绕着地球转。但这是太空时代的开始。”

芝加哥大学(University of Chicago)专攻量子信息工程的凝聚态物理学家大卫·奥沙洛姆(David Awschalom)没有参与这项研究，他也认为这个程序解决了一个非常特殊的问题，并补充说，谷歌不能声称自己拥有一台通用量子计算机。他说，这样的成就可能需要100万个量子位元，而且是在很多年以后。但他相信，该公司的团队已经达到了一个重要的里程碑，为其他科学家提供了真正的研究成果。“我对此非常兴奋，”Awschalom说。“这类结果提供了一个非常有意义的数据点。”

谷歌的量子计算芯片，被称为Sycamore，使用了53个量子位元来实现它的结果。芯片上的第54个失败了。Sycamore的目标是随机产生1和0的字符串，每个量子位一个数字，产生253位字符串(即约9.700199254740992千万亿位串)。由于量子位相互作用的方式，一些弦比其他弦更容易出现。Sycamore运行数字生成器一百万次，然后对结果进行采样，得出任何给定字符串出现的概率。谷歌团队还在橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的超级计算机Summit上运行了一个更简单的测试版本，然后从这些结果中推断出Sycamore的结果。新芯片在200秒内完成了这项任务。研究人员估计，同样的苦差事可能需要1万年才能完成。

不过，IBM的一组研究人员本周早些时候在arXiv.org上发表了一篇预印本论文，他们认为，在理想的条件下，使用额外的内存存储，Summit可以在两天半内完成这项任务。IBM也在开发量子计算。”,因为这个词的本义“量子至上”(加州理工学院理论物理学家)提出的2012年约翰Preskill,描述的是量子计算机可以做古典电脑不能,这个阈值没有被满足,“科学家们在IBM研究博客上的一篇文章中写道。也许，谷歌的成就更应该被称为“量子优势”。

但是德克萨斯大学奥斯汀分校的理论计算机科学家Scott Aaronson(他有时与谷歌的研究人员合作)说，说量子霸权没有实现是不正确的——即使它不是一个明确的“月球上的人”的结果。毕竟，梧桐树公司在这项任务上还是比顶峰公司快得多。随着谷歌的设置中量子位的数量增长，它的计算能力将呈指数级增长。将53个量子位移至60个量子位，该公司的量子计算机的计算能力将相当于33个Summit超级计算机。在70个量子位元时，一个类似峰会的经典超级计算机必须有一个城市那么大才能拥有同样的处理能力。

Aaronson还怀疑谷歌所取得的成就可能已经有了一些意想不到的实用价值。它的系统可以用来产生可被量子物理定律证明为随机的数字。例如，该应用程序可能会生成比人类或传统计算机所能提供的强得多的密码。

“我不确定正确的做法是争论它是否是‘霸权’，”Awschalom说。他说，量子计算界尚未就比较不同量子计算机的最佳方式达成一致，尤其是那些基于不同技术的计算机。IBM和谷歌都使用超导体来产生量子位元，而另一种方法则依赖于被捕获的离子带电原子，这些原子悬浮在真空中，由激光束操纵。IBM提出了一个名为“量子体积”的度量标准，其中包括量子位元执行计算的速度、避免或纠正错误的能力等因素。

事实上，要制造出真正有用的装置——包含数千个量子位元的装置，量子计算机科学家必须掌握误差修正技术。研究人员说，到那个时候，这些机器就可以对化学反应进行详细的模拟，从而开发出新药或更好的太阳能电池。他们还可以迅速破解用于保护互联网数据的密码。

然而，要达到这种性能，量子计算机必须自我修正，发现并修正其操作中的错误。当一个量子位元自发地从1翻转到0，或者当它的量子叠加由于外界的干扰而衰减时，就会产生误差。目前谷歌的量子位元在衰变前持续约10微秒。“它们的寿命是有限的，”该项目的研究人员之一Marissa Giustina说。“他们非常脆弱。它们与周围环境相互作用，我们就失去了量子信息。”

传统的计算机用冗余来处理误差校正，通过测量成千上万个电子而不是单个电子来决定一个数字位是开还是关。相反，量子位本质上是概率性的，所以试图把它们聚集在一起来进行一次整体测量是行不通的。谷歌正在开发一种统计方法来纠正错误,和约翰•马提尼,加利福尼亚大学的物理学家圣芭芭拉分校,与该公司合作开发无花果,说到目前为止,初步结果显示没有基本的方面,没有中断,这将防止纠错越来越好。看来，演出还会继续。

与此同时，谷歌的工程师们将致力于改进他们的量子位元以产生更少的误差——这有可能使更多的量子位元互相连接。他们还希望缩小他们的大型打印机大小的控制盒，每个控制盒可以处理20个量子位和相关的电路，所以运行Sycamore的53个量子位需要3个。如果他们的系统发展到大约1000个量子位，它的冷却需求将超过那些大型银圆柱体的容量。

朱利安·凯利(Julian Kelly)在谷歌公司从事量子硬件和架构方面的工作。“我们已经证明量子硬件可以做一些极其困难的事情，”他说。“我们在一个以前没有人能做实验的地方运作。他说，这种进步的结果是什么，“我们还不知道，因为我们才刚刚起步。”