IBM科學家談——我們正在進入量子計算研究的黃金時代

2021-01-20 MOOC

作者：Mark Ritter, IBM研究院傑出研究員


1981年，諾貝爾獎獲得者理察•費曼(Richard Feynman)建議計算機科學家們研發基於量子物理學的新型計算機。此後，計算機科學家們一直在努力攻克這一艱巨挑戰。


採用量子物理學原理來實現可靠計算之所以困難，其原因部分在於量子信息非常脆弱，因而需要將量子元件冷卻到接近絕對零度的溫度並杜絕電磁輻射，以使誤差最小化。這與我們目前所用的計算方法大相逕庭，必須重新規劃和設計整個計算基礎架構。


但這些挑戰並未阻止物理學家和計算機科學家們的努力，目前已經取得了重大進展。事實上，我認為我們正在進入量子計算研究的黃金時代。我所負責著的IBM沃森研究實驗室 (T.J. Watson Research Laboratory) 裡，科學家和工程師們正奮戰於量子計算研究的最前沿，旨在建成第一臺真正的量子計算機。


這之所以重要是因為量子計算機擁有比目前速度最快的超級計算機還要強大的潛力。


不久前，著名科學雜誌《自然通訊》(Nature Communications) 發表了由IBM團隊成員撰寫的一篇重要論文，概述了在實現實用量子計算機方面的兩項關鍵進展，即首次展示了能夠同時對兩類量子進行糾錯的能力，還演示了一種全新的能擴展到更大物理架構的方形量子位電路設計。這是兩項非常激動人心的進展，與IBM三十年來致力於推動量子計算研究的努力密不可分。


除了我們的論文，來自加利福尼亞大學聖巴巴拉分校(University of California Santa Barbara)以及荷蘭代夫特理工大學 (Delft University of Technology) 的研究人員也發表了兩篇相關主題的文章。這一連串的科學成就表明，研究界正在致力於量子計算領域最有希望取得進展的一些研究方向，而且現在進展速度越來越快。其他科技巨頭公司——諸如谷歌和微軟等——也都成立了從事量子計算研究的科學家及學者團隊。


我們還與這個領域最受尊重的學術研究人員保持密切溝通，包括來自德國亞琛工業大學 (RWTH Aachen University) 的教授David DiVincenzo。他本人也曾是IBM研究院的研究員 (1985-2011)，當時就提出過任何實用量子計算機都必須滿足的標準。


量子計算的工作原理與目前的計算機完全不同。傳統計算機使用二進位位 (bit)，每個位代表1或0。相比之下，量子位 (qubit) 可代表1、0或同時代表1和0。因此，兩個量子位可同時處於00、01、10和11四種狀態，這種現象被稱為疊加。每增加一個量子位，潛在狀態的總數就會加倍。因此，較之於傳統計算機，在某些類型的計算中使用量子位，可使我們的計算執行速度呈指數倍增長。


為了執行精確無誤的計算，量子位必須保持其量子機械狀態足夠長的時間，方能使用糾錯碼來抑制錯誤。因此，重大挑戰之一是控制或消除量子退相干現象，該現象可解釋由熱輻射和電磁輻射等因素的幹擾而引起的計算錯誤。



IBM研究院團隊在其實驗中解決了該問題的一個方面。他們演示了使用四量子位方形超導量子位點陣（約四分之一英寸見方）的糾錯運算。他們是首先成功實現了檢測兩類量子計算錯誤（bit-flip [位翻轉] 和phase-flip [相位翻轉]）的團隊。此前，我們只能檢測其中某一類量子錯誤。該領域的下一步是糾正量子錯誤，這是邁向構建大型量子計算機的重要一步。


我們電路的方形點陣設計對擴展到更大的量子位系統至關重要。作為首先使用這種配置（我相信研究界以後將會普遍採用該配置）的團隊，IBM團隊將能通過增加量子位數目來構建實用量子計算系統。目前我們正在進行採用方形點陣配置的8量子位試驗。


在我的計算機硬碟中一直保存著一張在著名的首屆計算物理學大會（1981年，麻省理工學院）上拍攝的照片。正是在該大會上，諾貝爾物理學獎獲得者理察•費曼建議其科學家同行開發量子計算機。費曼後來寫道，「約60位與會者有共識，認為物理學和計算在根本層面上是相互依存的。」這張照片是集體合影，又像是個名人堂——其中包括諾貝爾獎得主費曼和約翰•惠勒，以及德國計算機科學先驅康拉德•楚澤 (Conrad Zuse)。合影中包括三位IBMer：RISC架構的發明者約翰•科克 (John Cocke)；量子加密技術領域的先驅查爾斯•本奈特 (Charles Bennett)；以及物理信息學領域的理論學家羅夫•蘭道爾 (Rolf Landauer)，他幫助組織了該屆大會。




我保存這張照片也是提醒自己，當由精英人才組成的跨學科團隊運用其集體智慧來解決世界上最具挑戰性的問題時，其潛力是巨大的。他們中的許多人參加了曼哈頓工程、阿波羅計劃及開發量子計算機的探索。


在每一次努力中，目標從一開始都看似幾乎不可能實現。但一次又一次，這些精英團隊都設法證明了懷疑者是錯誤的。量子計算探索仍在進行當中。而我對IBM傑出的團隊充滿信心，並相信我們將會率先開發出實用量子計算機，使之造福個人、社會和我們這個星球的未來。


轉載自公眾號:IBM中國

緣起自公眾號:楊靜lillian

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