受到同行的审查也是科学进展的一部分,但在当今的全球科学事业中,除非全世界的科学家都能参与进来,否则此事较为罕见,特别是在像量子科学这样复杂的领域。

话说回来,目前全科学家的的确确都在参与一个话题的讨论——中国研究团队达成的量子优势

去年,谷歌宣称的量子优势,就是由John Martinis和他的团队所实现的。他表示,对于最新的量子优势的论证工作“尚无定论”。

前谷歌量子优势之父,对中国“量子优势”的质疑来了(附5条QC准则)-量子客
图1|John Martinis(来源:Wired)

英国《金融时报》报道称,Martinis在澳大利亚金融评论创新峰会上发言,对中国最新的科研成果表示欣喜。

但Martinis接着说,即便如此,问题依然存在。

 

存疑的“量子优势”

他说:“尽管中国的研究人员已经取得了一些成果,但对于其机器巨大复杂性的声称,目前还未得到证实,理论学家们会尽快将这一点弄明白。”

他补充说,正如我们前面提到过的,审查是整个科学进展的一部分,Martinis自己的团队在谷歌宣称量子优势后,也得到了同行的审查。

比如IBM就提出了质疑2天就可以达成,而后阿里巴巴团队也证明其10000年的优越性实则20日可以完成

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图2|谷歌的“量子优势”(来源:Popular Mechanics)

其中有一个很关键的问题是,是否可以对“九章”进行编程以执行其他任务。科学家们表示,如果“九章”只能完成玻色采样,那么它就欠缺实用性

因此,尽管在科学上意义重大,但实际意义不明显

Martinis认为,运行算法并从中获取论文成果的确很好,但如果想要真正构建实用的机器,就要处理不同的问题,与此同时也不需要花费太多的时间和精力。

“而且最终无论如何都需要做纠错工作,而纠错的必要条件就是可编程。所以即便中国研究人员此次的科研成果令人欣喜,可是方向并不一定就能通往强大量子机器的构建,要正确区分长期目标和小科学实验。”

当然,正如该研究者的思路,任何申明都需要不断验证,过早断论,孰是孰非,都有失偏颇。

 

量子计算机有效工作准则

不得不说,制造量子计算,或者声称实现了量子计算机原型机是一个非常严肃而且伟大的问题

虽然拥有几个比特的量子计算机,在物理系统上可以被实现,但是想要制造出能有效工作的的量子计算机对当前的科学研究来说仍然是一个不小的挑战。

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图3|DiVincenzo criteria(来源:网络)

2000年DiVincenzo提出了5条准则(即DiVincenzo criteria)和两个附加量子通信标准,只有满足准则的物理体系,才有望构建出可行的量子计算机,以下是5条准则的概述[2]:

 

1 表征量子比特

 

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图4|表征量子比特(来源:DiVincenzo criteria)

在可扩展的物理体系中,要能很好的表征(定义)量子比特。需要一个由多比特组成的,用来存储信息的量子寄存器。

在量子体系中,一种能够物理上实现量子比特的最简单的方式,莫过于利用二能级物理体系。例如:电子自旋、自旋为1/2的原子核等。

同时使用几种类型的量子比特可能是实现可行的量子计算机的最有前景的方式。

 

2 能很好的将量子态初始化至初态

 

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图5|将量子态初始化至初态(来源:DiVincenzo criteria)

当经典计算机无法重置时,即使其处理过程非常正确,所得的计算结果也不会令人信服。因此初始化对于经典计算机和量子计算机来说都是一个重要的部分。

 

3 拥有一套通用的量子门操作

 

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图6|通用量子门(来源:DiVincenzo criteria)

对于一台内存比较大的经典计算机,需要通过一系列的逻辑门操作,把数据编码到内存上面去。此举需要在内存上应用任意的逻辑操作门,去完成有用的量子信息处理过程。

 

4 具有特定量子比特的测量能力

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图7|测量特定量子比特(来源:DiVincenzo criteria)

经典计算的结果必须显示在屏幕上或打印在一张纸上以读出结果,虽然读出过程被认为是经典计算的一部分,但它也是量子计算中的重要组成部分。

对于量子计算,必须测量实现量子算法之后的状态以提取计算结果,测量过程在很大程度上取决于所考虑的物理系统。

由于退相干,量子门操作误差等更多原因,测量通常没有100%的效率。如果是这种情况,必须重复多次相同计算,以达到合理且比较高的置信度。

 

5 退相干时间比门操作时间长

 

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图8|退相干时间长(来源:DiVincenzo criteria)

经典计算机硬件的发展,大约持续了有20多年了。它的发展如此之长,以至于在考虑操作系统的更新换代的时候,不得不放弃已有但还能使用的计算机。

对于量子计算机来说,则完全相反。它对外界的微扰及其敏感,这种敏感也被称为退相干。对于建造一个可实用的量子计算机来说,退相干的问题可能是一个最大的障碍。

由于系统会和环境有相互作用,退相干也就意味着量子态的诸多方面都会退化,同时也会限制量子计算的最大有效时长。

此外,我们应该能够发送和存储量子信息以构建量子数据处理网络。这种“网络性”要求满足以下两个附加标准。

 

6 静态比特和飞行比特可互相转换

一些已实现的物理体系在存储量子信息方面有非常出色的性能,同时量子信息的长距离传输可能需要不同的物理的资源。

有效量子计算机可能涉多种量子比特,我们被迫引入分布式量子计算。在使用量子中继器的长距离量子隐形传态中,量子比特相互转换的能力也显得至关重要。

 

7 能在指定区间专一地传输飞行比特

能够在指定区间专一地传输飞行比特,这是量子密钥分发等量子通信不可或缺的要求。这种情况在上面提到的分布式量子计算中也很重要。

 

何时实现真正“有用”

Martinis说道,一个真正有用的量子计算机可能还需要20或30年,而有一些物理学家十分消极地认为这个时间是无限期的。

但是一旦量子计算成为现实,那么计算速度将呈指数级别提升。为制药业、金融业、人工智能和工程领域开启无限可能。

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图9|量子计算机(来源:GeekWire)

虽然各国都已经相继部署了量子计划,但是要知道,量子技术目前处于全球化竞争阶段。

不同的技术通往不同的结果,而究竟谁走上了所谓“正确”的道路,在竞争结果揭晓之前,一切都是未知数。

 

参考链接:

[1]https://thequantumdaily.com/2020/12/07/scientists-begin-to-question-chinas-quantum-supremacy-claim/

[2]https://www.qtumist.com/post/9331

 

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|编  辑:王嘉雯      |审  校:丁艳  王新文