量子計算機有望突破，新理論提示開發量子算法更有效方法

2020-09-05 網際網路潛伏者

文：Kayla Wiles 編譯：peng

在2019年，谷歌聲稱它是第一個展示量子計算機來執行超越當今最強大的超級計算機能力的計算。

普渡大學的科學家們說，但是大多數時候，創造一種可以擊敗傳統計算機的量子算法是一個偶然的過程。為了給該過程帶來更多指導並減少其隨意性，這些科學家開發了一種新理論，該理論可能最終導致對量子算法進行更系統的設計。

發表在《高級量子技術》雜誌上的一篇論文中描述的新理論是確定可以用可接受數量的量子門來創建和處理哪些量子態以勝過普通算法的首次已知嘗試。

物理學家將這種具有正確門數以控制每個狀態的門稱為「複雜性」。由於量子算法的複雜性與算法中涉及的量子態的複雜性密切相關，因此該理論可以通過表徵哪些量子態滿足該複雜性標準，從而為尋找量子算法打下基礎。

算法是執行計算的一系列步驟。該算法通常在電路上實現。

在普通計算機中，電路具有將位切換到0或1狀態的門。相反，量子計算機依賴於稱為「量子位」的計算單元，該計算單元可以同時疊加存儲0和1狀態，從而可以處理更多信息。

使量子計算機比普通計算機快的是更簡單的信息處理，其特徵在於與普通電路相比，量子電路中量子門的數量大大減少。

在普通計算機中，電路中門的數量相對於所關注問題的大小呈指數增長。這個指數模型增長得如此之快，以至於即使是中等大小的關注問題，它在物理上也無法處理。

「例如，即使一個小的蛋白質分子也可能包含數百個電子。如果每個電子只能採取兩種形式，則要模擬300個電子，將需要2300個普通狀態，這比宇宙中所有原子的數量還多。」普渡大學化學系教授，普渡量子科學與工程學院成員Saber Kais說。

對於量子計算機，有一種方法可以使量子門按問題的大小（如上一個示例中的電子數）「多項式地」按比例放大，而不僅僅是像普通計算機那樣按指數比例放大。「多項式」意味著處理相同數量的信息所需的步驟（門）將大大減少，從而使量子算法優於普通算法。

到目前為止，研究人員還沒有好的方法來確定哪些量子態可以滿足多項式複雜性的條件。

「有一個尋找狀態和順序非常大的搜索空間門匹配，在複雜創建能夠執行計算比普通算法快的一個有用的量子算法，」凱斯他的研究小組正在開發的量子算法和量子說機器學習方法。

普渡大學的博士後研究員Kais和Zixuan Hu使用新理論來識別一大批具有多項式複雜性的量子態。他們還表明，這些狀態可能共享一個係數特徵，可以在設計量子算法時更好地識別它們。

考慮到任何量子態，我們現在能夠設計一種有效的係數採樣程序來確定它是否屬於該類。

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