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科学家认为量子计算进入实用阶段前景可期

文章作者:科技中心 上传时间:2020-03-17

但就目前而言,Martinis和该研究领域的其他“老兵”都提醒说,量子计算仍处于早期发展阶段。“今天的量子计算相当于二战结束后那几年里的传统计算机。当时,每个设备都处于实验室研究阶段,且均由手工制作而成。”Martinis表示。不过,在多年来致力于完善量子比特后,Martinis非常高兴最终能将精力放在建造可真正解决实际问题的量子计算机上。“谷歌为那些解决硬件问题的科学家起了一个新名字——‘量子工程师’。”Martinis说,而这正是自己梦想中的工作。

量子穿隧效应是指量子涨落使量子能够以比自身更高的能量直接穿透势垒。 量子态可以通过两种不同的方式改变自转方向: 量子涨落和热波动。 热退火技术将打破量子态,使得量子系统只需要受到量子涨落影响就可以完成量子穿隧过程。 实际上,量子比特的热动力学和量子穿隧效应分别有自己的冻结时间。 量子退火取决于基态和第二、第一激发态之间的能量差,而冷却系统则要等到量子穿隧效应和热波动最终停止,然后从该过程中获得最终量子态。 系统通过重复不同温度下的冷却过程,完成量子退火技术,从而有效地实现量子计算。

与此同时,量子软件工程师正在开发一些能收回机器研发成本的应用,比如利用其寻找工业生产过程所需的新催化剂。

在中国国家自然科学基金会的重要项目中,上海大学研究小组王超团队致力于利用 D-Wave 量子计算机研究因数分解问题。尽管 D-Wave 一开始与密码学没有任何关系,其最初主要用于图像处理(Google)、软体验证(Lockheed Martin)等一些领域,但是王超团队却开发了一种基于量子计算破解RSA的新方法。

1994年,美国数学家Peter Shor发明了一种算法,可让量子计算机快速分解较大数字的因子。对于标准计算机而言,这种分解法会耗费大量时间,这也是为何其成为被广泛使用的加密技术的原因。而Shor的算法意味着量子计算机原则上能破解这种加密方式。两年后,贝尔实验室的Lov Grover设计了另一种表明量子计算机如何大幅提高大规模数据库搜索速度的算法。

虽然D-Wave量子计算机不同于通用量子计算机,其是为特殊目的而设计的,但我们认为它可以广泛应用于各个领域,这与电子计算机发展早期阶段的经典计算机完全不同。 目前,D-Wave 自2013年以来已经获得了多轮投资,包括 In-Q-Tel ,其目标是商业化并落地实际应用。

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全球军火商洛克希德 · 马丁公司(Lockheed Martin Corporation)首先签订了一份购买 D-Wave One 的协议,用于解决最具挑战性的计算问题,比如从 F-16飞机上找出错误代码。紧接着,来自谷歌、美国国家航空航天局、洛斯阿拉莫斯国家实验室、哈佛大学和东北大学的研究人员将 D-Wave 退火技术软件应用于包括图像处理、蛋白质折叠、交通流量优化、空中交通管制、海啸疏散等100多个应用软件中。 这就是为什么大家忽略了D-Wave量子计算机在密码学设计和分析中的应用的原因。

对这些重要应用的演示很快吸引了研究人员和投资机构的注意。随之而来的还有可正常工作的量子计算机将在几年内问世的断言。研究人员通过设计为解决特定问题量身定制的特殊用途量子设备而在这方面取得了一些进步。不过,要实现最终目标——建造可通过编程执行任何算法的通用量子计算机,实际上要困难得多。

3. D-Wave量子计算机还能做什么?

不过,今年4月Martinis和团队宣称他们发明了一种被称为“Surface Code”的量子计算机纠错技术。在公开发表的一篇论文中,该团队描述了其如何利用该技术使量子比特的出错率保持在百分之一。

王新梅教授在文章[4]中重点指出,探索 D-Wave 量子计算机在攻击其他密码系统方面的潜力是非常重要的。 众所周知,构造高度安全的密码体制实际存在三种困难。 除了分解问题的困难之外,离散对数问题和椭圆离散对数问题(比如 ECC,中国第二代身份证的核心基础)也提供了比其他问题更有力的方法来抵御量子计算机的攻击。 因此,应进一步考虑D-Wave量子计算机解决后两个问题的可行性。

自从上世纪80年代早期被提出后,建造量子计算机的愿景让Martinis和很多物理学家深感沮丧。在实践中,这种计算机所必需的量子效应非常脆弱且很难控制。如果来自外界的杂散光子或振动以错误的方式“撞击”该设备,计算将会崩溃。即使到了今天,经过30年的努力,世界上最好的量子计算机也几乎无法完成一些学校里的问题,比如寻找21的质数因子。答案是3和7。

日前,在中国国家自然科学基金会的重要项目中,致力于利用 D-Wave 量子计算机研究因数分解的上海大学研究小组王超团队,通过D-Wave的设计巧妙地实现了量子退火算法、量子穿隧效应技术应用等,并开发了一种基于量子计算破解RSA的新方法,该方法有效地实现Shor算法,并且可分解高达20位整数。随着量子技术的不断发展,量子技术将会被广泛的应用于如密码学、智能交通、智慧城市、图像处理、机器学习、生物信息学、情感分析等领域。

由于建造这种有用且有利可图的量子计算机前景可观,因此吸引了谷歌、IBM、微软以及其他公司加入这场游戏。一些学术团体也在朝着实践方向推动这项技术。例如,在荷兰代尔夫特理工大学,由政府资助的量子技术中心正将研究人员聚集起来,发展这项高科技产业。该校物理学家Ronald Hanson表示,他可以在5年内把通用量子计算机的模块建立起来,并在十多年后建造出功能完善的示范机,尽管它有可能很笨重且效率不高。

根据谷歌分析,圈内人认为具有量子退火技术的专用量子计算机对于信息技术来说是至关重要的。 这是因为量子计算机能够找到计算机科学中一类重要问题的近似答案,而这些问题只有通过详尽尝试每一种可能的解决方案才能真正得到解决。 因此,它为量子退火的密码学应用奠定了坚实的基础。

即使是最稳固的量子比特,错误也在所难免。普通计算机也会出现这种情况,但其对于量子计算机而言尤其麻烦,因为这些错误会随着量子比特数的增加而呈指数级增长。近年来,一个主要问题在于量子比特通常每运行10个运算步骤便会出现约一处错误,而可用的纠偏方案并未跟上出错的步伐。

1. 量子穿隧效应如何帮助 D-Wave 机器建立优于其他机器的优势?

科学家认为量子计算进入实用阶段前景可期

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Hanson对此表示认同,“目前已没有根本性的障碍”。在荷兰量子技术中心,Hanson正打出广告招募5位教授级电子工程师,并寻找40位技术员和研究者。这样的话,他便能将量子计算机从实验室研究升级为一项实用技术。他们的主要任务将是研究如何制造大规模量子比特阵列、控制量子计算和读取结果,以及如何将量子电路和位于同一块芯片上的传统微电子电路连接起来。Hanson和同事正努力研发嵌入微小半导体晶体的自旋量子比特,也就是量子点,以期未来5年能建造出17个量子比特阵列的量子计算机。

2017年末,王教授的小组首先通过D-Wave 2000Q系统实现了密码组件设计实验,将多准则密码函数设计问题转化为多目标优化问题,使数学问题能够在指数级解空间中搜索,从而映射到一个最佳化问题上得以解决。

其他“杀手级应用”可能是寻找新的高温超导,或者改进用于从空气或工业排放气体中捕获碳的催化剂。“所有这些都是非常重要的问题。如果能在这些方面有所突破,这100亿美元将会轻而易举地归你所有。”

D-Wave的设计巧妙地实现了量子退火量子穿隧效应技术应用,使得一些 NP 问题有可能在有效时间内解决。《自然》杂志报道它可以广泛应用于许多领域,包括密码学、图像处理、模式识别和机器学习、财务分析、生物信息学、情感分析等。

Martinis则表示,自己并未有固定的时间表,但对此同样乐观。“在过去的几年里,我们让很多事情运作起来。当然,老天爷仍有可能不让建造量子计算机的梦想成真,但我认为我们成功的概率很大。”

谷歌正在进一步探索 D-Wave 量子计算机和自动驾驶汽车的结合技术,期待研发出一种更类似于人脑的智能方式来识别障碍从而实现更好的导航。 另一方面,大众公司和王超团队也致力于智能交通的量子应用技术研究工作。我们坚信,未来在物理学家与信息科学家的合作之下,将会在未来十年开发出更多关于智慧城市和使城市实现精益化管理的应用。

不过,如今事情或许有所转机。量子领域的很多物理学家认为,30年的艰难前行可能最终到了将要收获的时候。如今,他们不但能产生持续数分钟而非几纳秒的量子比特,而且当来自外部的扰动或其他原因导致错误发生时,其在修正系统方面更加得心应手。

D-wave One 机器出现于2011年,它可以以远低于高性能计算机的功耗(目前为25kW) 在接近绝对零度(15mk)的状态下工作,但是目前的发展却受到摩尔定律和丹纳德定标的限制。如图2所示,在绝对零度附近工作的 D-Wave 量子退火算法可以激活量子穿隧效应,允许其从局部次极性跳跃到接近、甚至达到指数的全局最优值。这是 D-Wave 机器相对于其他经典搜索空间的独特优势。

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