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量子计算机是否像我们说的那么近?

时间:2020-03-17 13:29:16 作者:Eric Mounier博士,Yole Développement 阅读:
如今,着眼于监视和隐私,数据及其传输渠道已成为前所未有的政治斗争舞台。同时,大数据将需要新的搜索和处理方式。这种情况下就可能需要新的计算、传感和超安全传输方式。此外,当今世界也面临着巨大的环境、安全和医疗保健挑战,这些也都需要以新的方式来解决。不断增加的数据量和要考虑的参数数量, 将对传统的半导体行业形成挑战。
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确实,尽管摩尔定律已统治微处理器产业50多年之久,可能达到极限(2021年将达到3nm),但量子计算机(基于量子力学原理) 却是一项真正的颠覆性科技,有望解决当今计算之物理边界的难题。它将开辟新的机会,特别是在密集计算方面。但是,量子计算不是摩尔定律或人工智能的延续。它是一种基于不同硬件和软件的全新的颠覆性方法。

什么是量子?

量子领域奇怪的事情发生得比较多。这个领域处于原子级并会发生光速现象。能量、动量、角动量和其他数量不再具有连续的数值,而是会被限制为离散值(我们称之为量化)。同样,在原子级别,物体具有粒子和波动特征(我们称之为波粒二象性)。最后,测量数量的精度有限  (不确定性原理)。

量子计算机的基石—量子位—属于这个宇宙。量子位在多维宇宙中运行,其本征态对应于所谓的布洛赫球体的表面,而其逻辑态则对应于该球体的极点。简而言之,量子位不是二进制的。它不像比特那样只是对1或0进行编码,而是1和0的叠加。因此,一组n个量子位可以对2n个可能的量子态的叠加进行编码。通常,具有n个量子位的量子计算机可以处于多达2n个不同状态的任何叠加(如薛定谔的猫)。与此相比,一台普通计算机一次只能处于这2n种状态之一。我们应该还记得诺贝尔奖物理学家Bill Philips所说的话:“量子计算机与经典计算机的区别与经典计算机与算盘的区别一样。”

Eric Mounier博士,Yole Développement

一场新的量子革命迫近

过去,我们已经看到了第一次量子革命,当时的优先事项是理解和预测。今天,由于需要通过工程技术来开发基于光子、电子、原子或分子的未来量子系统,我们正在进入第二次量子革命。

量子技术是一项重要的挑战,它可以解决与国家安全相关的安全通信和数据库管理。它还能解决化学/材料研究、物流、金融服务、医疗保健和生命科学、制造、药物发现、蛋白质结构预测、投资风险分析、原料管理、车辆路线、网络优化等方面的关键工业仿真和优化挑战。

量子技术将成为各国的优先发展目标,世界顶级大国已经对量子项目进行投资:中国宣布进行100亿美元投资;美国宣布在5年内投资12亿美元;欧洲宣布在10年内投资12亿欧元。

量子计算机,但不仅止于此量子技术不仅可以实现计算,还可以实现密码系统、传感和软件。如今,量子计算吸引了研发人员的巨大兴趣,投资者社区和其他量子领域也从中受益。量子通信技术更为成熟(至少对于今天的短距离而言),而量子传感器和时钟仍然是小市场。尽管如此,密码系统和传感器都在从目前围绕量子计算机的兴奋中受益。

量子计算机可以区分为量子退火机(例如,D-Wave将量子计算机商业化以解决优化问题已有数年)和“通用”量子计算机(可以解决任何类型的问题)。目前这还是一个很小的市场,因为很少有公司能负担得起与量子计算机的开发相关的巨大开发成本。最重要的一些如下:

· D-Wave已经在出货量子退火机。它在7年内出货了4代系统。最新一代可以处理2,000个量子位(但不是“通用”量子计算机)
· 其他开发通用量子计算机的公司包括:Google(以53个量子位展示了量子霸权)、IBM、Rigetti、IonQ、Intel、ATOS

2019年9月,Google声称以53个量子位(因此对应于253个状态)展示了量子霸权,这引起了巨大轰动。Google的实验测试了该公司的量子计算器件(Sycamore芯片)是否可以正确地从随机的量子电路产生样本(从量子随机数发生器产生随机数)。Sycamore量子计算器件在短短3分20秒内对随机量子电路进行了100万次采样。当该团队在经典计算机上仿真相同的量子电路时,发现即使是目前被评为世界上功能最强大的Summit超级计算机,也需要大约 10,000年的时间才能完成相同的任务。因此, 今天的Google是第一家达到“量子霸权”(可处理50多个量子位)的公司。

接下来是什么?

因此,量子技术正处在众多应用和领域的十字路口:研究、材料科学、光子学、半导体、工程、软件、教育……但它仍然是项早期技术(但潜力巨大)。然而,今天它提出了许多问题: 哪种量子位技术将受到青睐?必须定义哪种业务模型—例如,开发量子计算机的Gafam们(译者注:即Google、Apple、Facebook、Amazon、Microsoft五大巨头)是否会提供QaaS(“量子即服务”),或者只是将其保留用于内部开发?我们是否能够利用半导体工艺来制造量子芯片?我们是否能够降低成本(今天的量子计算机价格估计超过2500万美元)?…… 因此,实现台式量子计算机的路还很长!

硬件级别的主要挑战是量子位的隔离和控制。但是对于当前开发的所有不同的量子计算机来说,我们仍然缺乏通用的量子语言。Yole相信,量子计算的真正价值在于其能够实现更好的药物、更灵活的材料或更高效的服务,而不是实现台式量子计算机!

责编:Yvonne Geng

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