近日,美國工業巨頭霍尼韋爾(Honeywell )公司宣布了一則重磅消息,宣稱其量子計算研究團隊已經製造出目前世界上性能最優的量子計算機,並且與微軟公司的雲量子計算服務 Azure Quantum達成了合作協議,將該設備向企業級用戶開放使用,標價約為每小時一萬美元。
霍尼韋爾公司
在未來三個月內,霍尼韋爾將把全球量子體積(Quantum Volume)最強大的量子計算機推向市場。量子體積是用於度量量子計算機性能的指標,而不是僅僅以量子比特(Quantum Bit)數量作為度量標準。量子體積更準確全面地度量了量子計算機的能力,包括度量可解決問題的複雜程度等。霍尼韋爾即將發布的量子計算機,其量子體積將至少達到64,是業界未來第二排名的兩倍。
霍尼韋爾董事長兼執行長杜瑞哲表示:「企業應該現在開始確定他們的策略,以利用或緩解由新量子計算技術可能帶來的許多業務變化。」
量子計算發展史
隨著計算機科學的發展,史蒂芬·威斯納在1969年最早提出「基於量子力學的計算設備」。而關於「基於量子力學的信息處理」的最早文章則是由亞歷山大·豪勒夫、帕帕拉維斯基、羅馬·印戈登(1976)和尤裡·馬尼年發表。史蒂芬·威斯納的文章發表於1983年。1980年代一系列的研究使得量子計算機的理論變得豐富起來。1982年,理察·費曼在一個著名的演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法。緊接著1985年大衛·杜斯提出了量子圖靈機模型。人們研究量子計算機最初很重要的一個出發點是探索通用計算機的計算極限。當使用計算機模擬量子現象時,因為龐大的希爾伯特空間而資料量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當長,甚至是不切實際的天文數字。理察·費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少,從而量子計算機的概念誕生。半導體靠控制集成電路來記錄及運算信息,量子計算機則希望控制原子或小分子的狀態,記錄和運算信息。
布洛赫球面乃一種對於二階量子系統之純態空間的幾何表示法,是建立量子計算機的基礎。
量子計算機在1980年代多處於理論推導狀態。1994年彼得·秀爾提出量子質因數分解算法後,證明量子計算機能做出離散對數運算,而且速度遠勝傳統計算機。因為量子不像半導體只能記錄0與1,可以同時表示多種狀態。如果把半導體比喻成單一樂器,量子計算機就像交響樂團,一次運算可以處理多種不同狀況,因此,一個40位元的量子計算機,就能在很短時間內解開1024位元計算機花上數十年解決的問題。因其對於現在通行於銀行及網絡等處的RSA加密算法可以破解而構成威脅之後,量子計算機變成了熱門的話題,除了理論之外,也有不少學者著力於利用各種量子系統來實現量子計算機。
量子計算基本概念
傳統計算機即對輸入信號序列按一定算法進行變換的機器,其算法由計算機的內部邏輯電路實現。
輸入態和輸出態都是傳統信號,用量子力學的語言來描述,也即是:其輸入態和輸出態都是某一力學量的本徵態。如輸入二進位序列{ 0110110},用量子記號,即{|0110110\ }。所有的輸入態均相互正交。對傳統計算機不可能輸入如下疊加態:{|0110110\+1001001\ }。傳統計算機內部的每一步變換都演化為正交態,而一般的量子變換沒有這個性質,因此,傳統計算機中的變換(或計算)只對應量子變換中的一類特殊集。量子計算機擴展了傳統計算機原有的限制。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述,如二能級系統(稱為量子比特(qubits)),量子計算機的變換(即量子計算)包括所有可能的正變換。
量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態,其相互之間通常不正交;量子計算機中的變換為所有可能的正變換。得出輸出態之後,量子計算機對輸出態進行一定的測量,從而得到計算結果。傳統計算是一類特殊的量子計算,量子計算對傳統計算作了極大的擴充,其最本質的特徵為量子疊加性和量子相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當於一種經典計算,所有這些傳統計算同時完成,並按一定的概率振幅疊加起來,給出量子計算機的輸出結果。這種計算稱為量子並行計算。
量子比特由受控粒子和控制方法組成
量子計算和金融業
霍尼韋爾同時宣布,公司將和全球知名金融公司摩根大通合作,運用霍尼韋爾計算機開發量子算法。
「霍尼韋爾獨特的量子計算機,以及所建立的生態系統,可以幫助我們解決金融服務行業主要的以及不斷上升的商業挑戰,」摩根大通董事總經理兼應用研究和工程未來實驗室負責人Marco Pistoia博士說。
2018年年底,霍尼韋爾宣布了量子計算能力。事實上,在宣布之前的10年內,公司一直在打造量子計算機的技術基礎。2019年年底,霍尼韋爾宣布和微軟合作,通過微軟的Azure量子服務,為霍尼韋爾量子計算機提供雲接入服務。
位於紐約公園大道270號的摩根大通全球總部
霍尼韋爾量子計算機採用離子阱技術,利用大量單個帶電原子(離子)保存量子信息。霍尼韋爾系統利用電磁場來囚禁每一個離子,並對被囚禁的離子採用雷射脈衝加以操作和編碼。
相比其它不直接使用原子的量子比特技術,霍尼韋爾的離子阱技術可以一致地生成量子比特,其誤差亦得到充分地分析闡述。這些高性能操作需要跨眾多學科的雄厚積累,涵蓋原子物理、光學、低溫學、雷射、磁學、超高真空和精密控制系統。霍尼韋爾在這些科技領域擁有數十年的專業積累。