D-Wave的量子計(jì)算機(jī)芯片

北京時(shí)間6月12日上午消息，過(guò)去30年，研究人員一直試圖開(kāi)發(fā)能解決任何計(jì)算問(wèn)題的通用量子計(jì)算機(jī)。目前，來(lái)自美國(guó)加州和西班牙的一支團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款原型設(shè)備，能解決物理和化學(xué)領(lǐng)域的多種問(wèn)題，而未來(lái)還有可能被應(yīng)用至更廣泛的領(lǐng)域。

IBM和加拿大公司D-Wave此前利用不同方式開(kāi)發(fā)了可提供一定功能的量子計(jì)算機(jī)。然而，這樣的設(shè)備無(wú)法擴(kuò)大至更多量子位，從而解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題。

來(lái)自加州圣芭芭拉谷歌研究實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)科學(xué)家，以及加州大學(xué)圣芭芭拉分校和西班牙巴斯克大學(xué)的物理學(xué)家近期在《自然》雜志上介紹了他們的最新設(shè)備。

南加州大學(xué)量子計(jì)算專家丹尼爾·利達(dá)爾(Daniel Lidar)表示：“從許多方面來(lái)看，這都是出色的成果，吸取了量子計(jì)算行業(yè)許多有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。”

谷歌的原型產(chǎn)品結(jié)合了兩種量子計(jì)算技術(shù)。其中一種技術(shù)使用針對(duì)特定問(wèn)題、有著特殊排列的量子位去設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)數(shù)字電路。這類似于傳統(tǒng)微處理器中的訂制數(shù)字電路。

量子計(jì)算理論的很大一部分基于這種技術(shù)。這其中也包括避免計(jì)算結(jié)果偏離的誤差修正方法。不過(guò)到目前為止，基于這種技術(shù)的量子計(jì)算機(jī)只限于幾個(gè)量子位。

另一種技術(shù)稱作“絕熱量子計(jì)算(AQC)”。計(jì)算機(jī)將特定問(wèn)題編碼為一組量子位，并逐步調(diào)整這些量子位之間的互動(dòng)，以“塑造”共同的量子態(tài)，得出解決方案。從理論上來(lái)說(shuō)，任何問(wèn)題都可以被編碼為一組量子位。

谷歌團(tuán)隊(duì)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家拉米·巴倫茲(Rami Barends)表示，這種技術(shù)受到隨機(jī)噪聲效應(yīng)的限制，而這種效應(yīng)會(huì)引入系統(tǒng)無(wú)法修正的誤差。此外，這種技術(shù)也無(wú)法保證有效地解決任何問(wèn)題。

不過(guò)，全球首款商用的量子計(jì)算設(shè)備正是基于AQC技術(shù)。這款產(chǎn)品來(lái)自英國(guó)公司D-Wave，價(jià)格約1500萬(wàn)美元。谷歌也擁有一臺(tái)D-Wave的設(shè)備。不過(guò)，巴倫茲及其同事認(rèn)為，有更好的方式去利用AQC技術(shù)。

他們希望找到某種誤差修正方式。如果沒(méi)有誤差修正，那么利用AQC技術(shù)去擴(kuò)大計(jì)算規(guī)模將非常困難，因?yàn)樵诟蟮南到y(tǒng)中，誤差的積累將會(huì)很快。該團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的第一步是將AQC技術(shù)與數(shù)字方法中的誤差修正技術(shù)結(jié)合在一起。

在研究中，谷歌的團(tuán)隊(duì)采用了9個(gè)固態(tài)量子位。這些量子位由十字形的鋁制薄膜制成，寬度約為400微米。隨后，這些量子位被固定在藍(lán)寶石表面上。研究人員將這些鋁制薄膜的溫度降低至0.02開(kāi)爾文(約零下273攝氏度)，使金屬成為超導(dǎo)體，電阻完全消失。利用這些超導(dǎo)態(tài)的量子位，研究人員可以向其中編碼信息。

相鄰量子位的互動(dòng)由“邏輯門(mén)”控制。邏輯門(mén)利用數(shù)字方式去操控量子位，使其進(jìn)入某種狀態(tài)，從而得出問(wèn)題的解。在演示中，研究人員對(duì)量子位進(jìn)行排列，使其模擬有著一定自旋態(tài)的磁性原子陣列。這樣的問(wèn)題已經(jīng)在凝聚態(tài)物理中得到了充分研究。研究人員隨后可以通過(guò)量子位去確定總勢(shì)能最低的原子自旋態(tài)組合。

對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，這是個(gè)非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題。不過(guò)，谷歌的新設(shè)備也可以處理所謂的“non-stoquastic”問(wèn)題，而這是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)做不到的。這其中包括對(duì)多個(gè)電子互動(dòng)的模擬，這以往需要準(zhǔn)確的化學(xué)計(jì)算機(jī)模擬。從量子層面模擬分子和其他物質(zhì)將是量子計(jì)算最有價(jià)值的應(yīng)用。

利達(dá)爾表示，這種新方法將使量子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行量子誤差修正。盡管研究人員尚未做出證明，但該團(tuán)隊(duì)此前表示，在9個(gè)量子位的設(shè)備上可以做到這點(diǎn)。

谷歌團(tuán)隊(duì)的另一名成員阿里雷扎·沙巴尼(Alireza Shabani)表示：“憑借誤差修正，我們的技術(shù)可以成為通用算法，從而拓展至任意的大型量子計(jì)算機(jī)。”

谷歌的設(shè)備目前基本上停留在原型產(chǎn)品階段。不過(guò)利達(dá)爾表示，在未來(lái)幾年中，超過(guò)40個(gè)量子位的設(shè)備將成為現(xiàn)實(shí)。

他表示：“屆時(shí)，對(duì)量子動(dòng)力學(xué)的模擬將成為可能，而這是傳統(tǒng)硬件做不到的。這意味著‘量子霸權(quán)’的到來(lái)。”