Dharma Academy 2020 tahmini: Kuantum üstünlüğü köşede
Yazar | Ma Chao
Sorumlu Editör | Hu Weiwei
2 Ocak'ta Alibaba "Dharma Academy 2020'nin En İyi 10 Teknoloji Trendini" yayınladı.
Makalede şöyle deniyordu: "2019'da, 'kuantum hegemonyası' savaşı, kuantum hesaplamayı bir kez daha dünya teknolojisinin odak noktası haline getirdi. Süper iletken kuantum hesaplama yongalarının başarıları, endüstrinin süper iletken yollar ve büyük ölçekli kuantum hesaplama hızına ilişkin iyimser beklentilerini güçlendirdi. 2020'de kuantum hesaplama alanı, yatırımda daha fazla artış, yoğunlaştırılmış rekabet, hızlandırılmış sanayileşme ve daha zengin ekoloji aşaması yaşayacak.En kritik iki teknolojik dönüm noktası olarak, hataya dayanıklı kuantum hesaplama ve pratik kuantum avantajlarının gösterilmesi, kuantum hesaplamanın pratik uygulaması olacaktır. Dönüm noktası. Önümüzdeki birkaç yıl içinde, bunlardan herhangi birini gerçekten başarmak çok zor bir görev olacak ve kuantum hesaplama teknolojik bir atılım dönemine girecek. "
Geçen yüzyılın ortasında, Einstein, Niels Henrik David Bohr (Niels Henrik David Bohr), Julius Robert Oppenheimer (Julius Robert Oppenheimer) ve diğer üst düzey bilim adamları ortaklaşa "Manhattan" projesine liderlik ettiler.
Bu plan, getirmenin yanı sıra İyi bilinen Atom bombasına ek olarak, o dönemde dünyanın en iyi bilimsel ve teknolojik elitleri de bir araya geldi ve aralarında Richard Phillips Feynman "Manhattan" projesi deha ekibinin bir üyesiydi.
Daha sonra, 1982'de Feynman, kuantum hesaplamanın rüyadan gerçeğe gitmesine izin vererek, genel amaçlı hesaplamayı gerçekleştirmek için kuantum sistemlerini kullanma fikrini ortaya attı.
1985'te fizikçi David Deutsch, Feynman'a dayanan bir kuantum Turing makinesi modeli önerdi. Bununla birlikte, şüpheli pratiklik nedeniyle, kuantum hesaplamanın ilerlemesi beklemeye alındı.
Kanada'daki D-Wave Systems tarafından geliştirilen 16-bit süperiletken kuantum bilgisayarın resmi olarak "Mini Manhattan Projesi" ni başlattığı 20 yıldan fazla bir süre sonra 2007 yılına kadar değildi.
"Manhattan" projesinin ürettiği nükleer silahların gerçek dünya güvenlik sistemi üzerinde büyük bir etkisi var. Güçlü bilgi işlem gücünün desteğiyle kuantum hesaplama, mevcut dijital dünya güvenlik sistemini de alt üst edecek. Bu nedenle Birleşik Devletler kuantum hegemonyasını 21. yüzyılın "Manhattan Projesi" olarak adlandıracak.
Kuantum Hegemonyası: 21. Yüzyılda "Manhattan" Projesi
Geleneksel CPU'lardan farkı, birçok kuantum özelliği nedeniyle bir kübitin genel ifade gücünün iki katına çıkmasıdır. Kuantum hegemonyası, kuantum bilgisayarların klasik bilgisayarların gerçekten çözemediği sorunları çözme potansiyelidir.
Hesaplamalı karmaşıklık teorisi perspektifinden, bu genellikle bilinen veya olası klasik algoritmaların ötesinde üstel bir ivme sağlamak anlamına gelir.
Uzman olmayanların terimleriyle, kuantum bilgisayarların bilgi işlem birimlerindeki artışla birlikte, bilgi işlem gücündeki artış üsteldir. Geleneksel bilgisayarların hesaplama gücündeki artış, bilgi işlem birimlerindeki artışla doğrusal olarak artar.
Artan bilgi işlem birimi sayısı ile kuantum hesaplama, geleneksel bilgi işlem gücünden çok daha üstündür. Ve bu, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, kuantum üstünlüğüdür.
Sert bir kuantum hesaplama meraklısı olarak yazar, son zamanlarda Çin Bilimler Akademisi'nden bir akademisyen olan Profesör Pan Jianwei'nin 20 foton girişli 60 × 60 modlu girişim devresiyle ilk Bose örnekleme kuantum hesaplamasını gerçekleştirmek için Almanya ve Hollanda'daki bilim insanlarıyla işbirliği yaptığını görmekten çok memnun. Dört temel gösterge açısından, kuantum hesaplama araştırmasının önemli bir hedefi olan kuantum hegemonyasının gerçekleştirilmesine yaklaşan uluslararası kayıtlar büyük ölçüde kırıldı.
Bu araştırma atılımı "büyük bir sıçrama" ve "kuantum hegemonyasının" gerçekleşmesi için bir sıçrama tahtasıdır Deney neredeyse geleneksel bilgisayarları geride bırakıyor ve bu da kuantum hesaplama alanında bir kilometre taşı anlamına geliyor.
Ekim 2019'da, Google Nature dergisinde "Programlanabilir Süperiletken İşlemci Kullanarak Kuantum Üstünlüğü" başlıklı bir kapak makalesi yayınladığında, ABD Başkanı Trump'ın kızı Ivanka Trump, doğrudan resmi bir duyuru yayınladı. Amerika Birleşik Devletleri kuantum üstünlüğüne ulaştı ve başarıları Wright kardeşlerin 1903'teki ilk uçaklarınınkiyle karşılaştırılabilir.
Bu ifade doğrudan IBM tarafından yinelenmiş olsa da, IBM resmi web sitesinde şunları söyledi: "Google'ın sözde hesaplaması 10.000 yıl sürüyor ve geleneksel bilgisayarlar bunu 2,5 günde tamamlayabilir. Bu hala muhafazakar bir tahmin."
Ancak bu konu da Çok Kuantum hegemonyasının gerçekleşmesi için halkın iyimser beklentilerini geliştirmek. 2020'de kuantum hesaplama alanının yatırımda daha fazla artış, yoğun rekabet, hızlandırılmış sanayileşme ve daha zengin ekoloji aşaması yaşaması bekleniyor.
Kuantum Hesaplamaya Bir İnceleme
Kuantum hesaplama genel amaçlı bir hesaplama değildir: kuantum birimleri basit 0 ve 1 olmadığından, üst üste binme durumlarına ve karşılıklı dolaşık durumlara da sahiptirler.Matematik ifadeleri çok karmaşıktır ve genel amaçlı hesaplamalar için kullanılamaz. Ayrıca, her bir hesaplama görevi için, Her ikisi de kuantum hesaplama için ayrı tasarım algoritmaları gerektirir.
Başka bir deyişle, kuantum bilgisayarlar genel amaçlı bilgisayarlar değildir ve yalnızca belirli görevlerde güçlü avantajlar gösterebilirler. Örneğin, bir kuantum bilgisayar Shor'un algoritmasını çalıştırabilir ve hızlı çarpanlara ayırma gerçekleştirebilir. Bununla birlikte, sürekli toplama ve sürekli sayı çıkarma gibi genel hesaplama görevlerinde geleneksel bilgisayarlardan daha hızlı değildir.
Temel kuantum mantık kapıları: Geleneksel hesaplamalardaki üç tür AND, OR ve kapı olmayanlardan farklıdır, çünkü bir kübit basit bir 0, 1 durumu olmadığından, yedi kapısı aşağıdaki gibidir:
-
Pauli-X kapısı: klasik mantık NOT kapısına eşdeğerdir;
-
Pauli-Y kapısı: karmaşık işlemler için bir kapı;
-
Pauli-Z kapısı: Bu kapı temel durumu | 0 değişmeden tutar ve | 1 ile- | 1;
-
Hadamard Kapısı: Kuantumu süperpozisyon durumuna getirin;
-
CNOT Kapısı: iki kuantum dolaşık durumu yapın;
-
SWAP kapısı: üç Pauli-X kapısından oluşan iki kübiti birbiriyle değiş tokuş edin;
-
CCNOT geçidi: Bu, üç kubiti çalıştıran bir kuantum mantık geçididir.İlk iki kübit | 1> ise, üçüncü kübit klasik mantık NOT geçidine benzer şekilde işlenecektir, aksi takdirde yapılmayacaktır. işletme.
Hadamard Kapısı ve CNOT Kapısından oluşan en basit kuantum elektronik yapısı aşağıdaki gibidir:
Kuantum hegemonyasına giden yol hala uzun
Kuantum hegemonyasının başarısı veya başarısızlığı, hesaplama gücündeki üstel büyümesinden kaynaklanmaktadır. Geleneksel süper hesaplamanın hesaplama birimleri doğrusaldır Biriktirmek Bu nedenle, doğrulama mekanizması aracılığıyla hataları filtrelemek ve hata birikimini önlemek kolaydır.
Daha önce de belirtildiği gibi, kuantum birimleri arasındaki ilişki tutarlı durumdur. Bu nedenle, kuantum hata düzeltmesi yoluyla donanım hatalarının birikmesinin nasıl önleneceği, kuantum hegemonyasına giden yoldaki en büyük zorluktur.
Kuantum hata düzeltmesi basit değil
Her şeyden önce, kuantum uyumlu sistem ile çevreleyen çevre arasındaki etkileşim bir kanal yaratacak ve uyumsuzluk adı verilen bir süreçte tutarlılık kanaldan hızlı bir şekilde "sızdırılacaktır".
Bu nedenle, araştırmacılar uyumsuzluk oluşumundan kaçınmaya çalışmalıdır. Şu anda, "tutarlı durum" yalnızca saniyenin bir kısmı için korunabilir ve kübit sayısı ve çevre ile etkileşim olasılığı arttıkça, bu zorluk gitgide daha da artacaktır.
İkincisi, diğer tüm süreçler gibi kuantum süreci de "gürültüye" sahiptir. Kübitteki ısıdan veya daha derin kuantum fiziği sürecinde üretilen rastgele dalgalanmalardan gelsin, bu kübitin durumunu tersine çevirecek veya rastgele hale getirecek ve sonuçta hesaplamanın başarısız olmasına yol açacaktır.
Klasik hesaplamalarda bu problem de var. Ancak klasik hesaplamalarda, rastgele çevrilmiş bitler göründüğünde hazırlanmaları için hesaplanan her bitin yalnızca iki veya daha fazla kopyasını tutmaları gerekir.
Kuantum hata düzeltme açısından Çinli bilimsel araştırma kurumları da bazı başarılar elde etti.Sun Luyan araştırma grubu ile Tsinghua Üniversitesi Disiplinlerarası Bilgi Araştırma Enstitüsü Duan Luming araştırma grubu ve Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Zou Changling araştırma grubu arasındaki işbirliği sonrasında süperiletken kuantum sistemlerinde mikrodalga fotoniği gerçekleştirildi. Binom kuantum hata düzeltme kodu ve hem mantık kübitlerinin kuantum hata düzeltmesini hem de evrensel kuantum kapılarının kontrolünü ilk kez gerçekleştirmek için. "İki terimli bir bozonik mantıksal kübit üzerinde kuantum hata düzeltme ve evrensel geçit kümesi işlemi" makalesi "Nature Physics" dergisinde yayınlandı.
"Yüksek hassasiyet" ve "büyük ölçekli" buluşlar aynı anda kuantum hegemonyasına ulaşabilir
2019'da kuantum bilişimin iyi haberi devam etse de, ancak Google'ın gazetesinden (https: // www. doğa .com /articles/s41586-019-1666-5.pdf) Büyük ölçekli bir kuantum bilgisayar uygulamasına rağmen, aslına uygunluğunun hala nispeten düşük bir seviyede olduğu ve bu doğruluk Shor algoritmasını uygulayamadığı da görülebilir. nın-nin. Yüksek hassasiyet sağlarken ölçek sınırlamasının nasıl aşılacağı, 2020'de ele alınması gereken bir mühendislik sorunudur.
Kuantum üstünlüğü önümüzdeki on yıl içinde şafakta başlayacak
Her durumda, Çin kuantum hesaplamada geride kalmıyor.Alibaba, Tencent, Baidu ve Huawei, son yıllarda art arda kuantum hesaplamayı uygulamaya koydu.
Alibaba ve Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, kuantum bilişim bulut platformunu ortaklaşa yayınladı ve 2018'de kuantum simülatörü "Tai Zhang" ı başlattı; Tencent kuantum yapay zekası, ilaç araştırma ve geliştirme alanlarında araştırmalar yaptı; Baidu, 2018'de Kuantum Hesaplama Enstitüsü'nü kurdu; Huawei de 2018'de HiQ kuantum bulut platformu piyasaya sürüldü ve "Kunlun" kuantum bilgi işlem simülasyonu hepsi bir arada makinesi 2019'da piyasaya sürüldü.
Beklenti ve gerçeklik, yukarı ve aşağı dönüşüm dansında daima yükselir. Son iki yılda, donanımdaki gelişmeler, bir sonraki dönem için ekmek ve tereyağı ile kuantum hesaplama sağladı.
Önümüzdeki on yılın teknolojik ilerlemesi, esas olarak temel teknolojinin atılımı ve pratikliğin gelişimi olacaktır. Halk arasında mutlaka popüler olmasa da, kuantum hesaplamada başka bir zirveye ulaşmaya yardımcı olacaktır.
