量子競(jìng)賽
20世紀(jì)90年代，量子比特只是一個(gè)純理論構(gòu)想?？茖W(xué)家們需要找到或創(chuàng)造一種既小到能夠遵守量子力學(xué)定律，又大到能夠控制的東西。
過去十年里，谷歌、亞馬遜、微軟、IBM等公司你追我趕，都想成為第一個(gè)制造出量子計(jì)算機(jī)的公司。
2013年，谷歌建立了量子人工智能實(shí)驗(yàn)室，致力于通過超導(dǎo)量子比特，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算。超導(dǎo)量子比特的研發(fā)是基于一種被稱為約瑟夫森結(jié)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)——一種特殊構(gòu)造的微小金屬環(huán)，具有非線性特性，可以被限制在兩種狀態(tài)的疊加。本質(zhì)上，它就像一個(gè)開關(guān)。谷歌和IBM等公司都將超導(dǎo)量子比特作為量子計(jì)算機(jī)的突破方向。
在谷歌實(shí)驗(yàn)室中，梅格蘭特解釋了如何使用微波脈沖將每個(gè)量子比特的能量狀態(tài)在0到1之間轉(zhuǎn)換，以及研究人員如何修改每個(gè)狀態(tài)的閾值和量子比特之間的耦合強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)糾纏。
但這些必須在極低的溫度下進(jìn)行，因?yàn)樗蓄愋偷牧孔颖忍囟挤浅Ｌ籼?mdash;—最輕微的干擾都能使疊加狀態(tài)消失，所以需要盡可能地把它們與環(huán)境隔離，但同時(shí)還要想辦法控制它們。
微軟工程師正在組裝量子計(jì)算機(jī)低溫恒溫器的“枝形吊燈”
微軟和谷歌目前都在制造一種可以在較低溫度下工作的芯片，從而在不增加干擾的情況下控制量子比特。這是一場(chǎng)與時(shí)間賽跑的比賽，必須在量子比特疊加狀態(tài)消失之前的幾分之一秒內(nèi)完成盡可能多的運(yùn)算。
在過去十年中，量子比特的數(shù)量在不斷升級(jí)。2016年，谷歌用9個(gè)量子比特模擬了一個(gè)氫分子；2017年，英特爾實(shí)現(xiàn)了17個(gè)量子比特；同年，IBM宣布制造了一個(gè)50個(gè)量子比特的芯片，可以將量子疊加狀態(tài)維持90微秒；2018年，谷歌推出了擁有72個(gè)量子比特的處理器Bristlecone……
谷歌的Sycamore芯片只擁有54個(gè)量子比特，但是這些量子比特被安排在一個(gè)網(wǎng)格中，加快了計(jì)算速度。在2019年伊始，谷歌團(tuán)隊(duì)逐漸增加了實(shí)驗(yàn)難度。起初，一切看起來進(jìn)展順利，但幾個(gè)月后，他們發(fā)現(xiàn)量子芯片的性能出現(xiàn)了顯著下降，其復(fù)雜度與超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬量子比特的復(fù)雜度差不多。
遇到一個(gè)問題，很難知道是由于制造錯(cuò)誤、噪音和干擾，還是因?yàn)橛龅搅艘粋€(gè)本質(zhì)問題——一些未被發(fā)現(xiàn)的宇宙定律。“也許量子力學(xué)在30個(gè)量子比特就停止了，”梅格蘭特開玩笑說。
最后，他們發(fā)現(xiàn)問題是一個(gè)校準(zhǔn)錯(cuò)誤引起的。但一些研究人員認(rèn)為，可能還有其他影響因素，因?yàn)榧词构雀璞M一切努力保護(hù)量子比特不受干擾，計(jì)算錯(cuò)誤率仍舊居高不下。當(dāng)然，我們可以對(duì)這些錯(cuò)誤進(jìn)行校正，但需要更多的量子比特——然后需要更多的量子比特來校正這些量子比特。
這就是為什么創(chuàng)造了“量子霸權(quán)”一詞的物理學(xué)家約翰·普萊斯基爾（John Preskill）認(rèn)為，我們離真實(shí)的量子計(jì)算機(jī)還有很長(zhǎng)的路要走。也因此，微軟確信超導(dǎo)量子比特是一條走不通的死胡同。微軟量子硬件部門的總經(jīng)理凱坦•納亞克（Chetan Nayak）說：“商用量子計(jì)算機(jī)怎樣解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)無法解決的問題，我們看不到任何希望。”
微軟選擇了另外一條道路：微軟目前正在測(cè)試一種低溫恒溫器，看起來和谷歌的恒溫器非常相似，但是將用于一種不同類型的量子處理器。
如果說谷歌登上量子霸權(quán)山頂?shù)穆贩浅Ｆ閸?，那么微軟也許一開始就走錯(cuò)了方向。他們?cè)噲D利用一種被稱為“拓?fù)淞孔颖忍?rdquo;的東西來代替超導(dǎo)量子比特。唯一的問題是，這種東西可能并不存在。
拓?fù)淞孔颖忍厥腔谝环N叫做馬約拉納費(fèi)米子的粒子，能同時(shí)在多個(gè)地方編碼量子比特的狀態(tài)。納亞克用《哈利·波特》中的例子來解釋拓?fù)淞孔颖忍兀?/div>
“故事的反派Boss伏地魔把靈魂做成了七個(gè)魂器，藏在不同的地方，這樣他就不會(huì)被殺死。”“我們用拓?fù)淞孔颖忍厮龅?，就是將我們的量子比特分散?個(gè)馬約拉納費(fèi)米子上，這就是我們的魂器。僅僅對(duì)它們中的一個(gè)或另一個(gè)做點(diǎn)什么，是不能殺死“伏地魔”的，量子比特仍然在那里。”
但是科學(xué)家們始終無法確定馬約拉納費(fèi)米子是否存在。自20世紀(jì)30年代以來，人們就開始將其理論化，但實(shí)驗(yàn)證據(jù)并非無懈可擊。盡管如此，微軟卻很自信。 內(nèi)/容/來/自:中-國(guó)-碳-排-放*交…易-網(wǎng)-tan pai fang . com
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