超越量子霸权:寻找有用的量子计算机

偶尔,阿隆·阿斯普鲁·古兹克(Al谩n Aspuru-Guzik)拥有电影明星般的时刻,届时一半年龄的歌迷会阻止他上街。“嘿,嘿,我们知道你是谁。”他笑了。“当他们告诉我他们也有一个量子初创公司时,很想和我谈谈。”他不介意。“泪通常没有时间说话,但是我总是很乐意给他们一些提示。”?

加拿大多伦多大学计算机科学家,马萨诸塞州剑桥市量子计算公司Zapata Computing的联合创始人Aspuru-Guzik说,这种和able可亲的方法在量子计算界并不罕见。尽管有人对即将到来的计算机革命提出了巨大的要求,并且私人投资已经流入了量子技术,但它仍处于早期阶段,没有人确定是否有可能建造一台有用的量子计算机。

量子淘金热:私人资金涌入量子初创企业

如今,量子机器充其量只有几十个量子位或qubit,它们常常被破坏计算的噪音所困扰。研究人员距离通用量子计算机还有几十年的时间,并且距离成千上万个量子比特,而通用量子计算机却可以进行长期的计算,例如分解大量数字。据报道,谷歌的一个团队现在展示了一种性能优于传统机器的量子计算机,但是这种“量子优势”被认为是极其有限的。对于一般应用,30年是“不切实际的时间表”?帕萨迪纳加州理工学院的物理学家约翰·普里斯基尔(John Preskill)说。

一些研究人员提出了这样一种可能性,即如果量子计算机不能很快提供任何使用功能,那么量子冬天将下降:热情将消逝,资金将枯竭,然后研究人员才能接近建造全尺寸的机器。Preskill说:“真正的冬季是一个真正的问题。”但是他仍然乐观,因为进展缓慢迫使研究人员调整他们的注意力,并查看他们已经拥有的设备在不久的将来是否能够做一些有趣的事情。

五年内将量子技术商业化

从过去几年发表的大量论文来看,这绝对有可能。正如Preskill所说,这是小型的,容易出错的或“多核中尺度量子”(NISQ)机器的时代。到目前为止,事实证明这是一个比任何人预期的都要有趣得多的时间。尽管结果还很初步,但是算法设计人员正在寻找可在化学,机器学习,材料科学和密码学领域产生直接影响的NISQ机器,例如,他们对化学催化剂的产生提供了见识。而且,这些创新正在促使常规计算领域出现意想不到的进步。所有这些活动都与建立更大,更强大的量子系统的努力同时进行。Aspuru-Guzik建议人们期待意料之外的事情。他说:“从长远来看,这是这里。”“明天可能会有一些惊喜。”?/ p>

新前景

量子计算可能感觉像是二十世纪的想法,但它在IBM发布其第一台个人计算机的同一年就实现了。物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)在1981年的一次演讲中指出,模拟具有量子力学基础的真实世界现象(例如化学反应或半导体特性)的最佳方法是使用符合量子力学规则的机器。

这样的计算机将利用纠缠,这是量子系统特有的现象。通过纠缠,粒子属性会受到与其他粒子共享紧密量子连接的影响。这些链接使化学和材料科学的许多分支变得复杂,无法与传统计算机上的模拟相提并论。设计为在量子计算机上运行的算法旨在利用这些相关性,执行常规计算机上无法实现的计算任务。

但是赋予量子计算机如此希望的相同特性也使它们难以操作。环境中的噪声,无论是由于温度波动,机械振动还是杂散的电磁场引起的噪声,都会削弱量子位之间的相关性,量子位是计算机中用于编码和处理信息的计算单元。这降低了机器的可靠性,限制了它们的尺寸并损害了它们可以执行的计算类型。

解决该问题的一种可能方法是运行错误纠正例程。但是这样的算法需要它们自己的量子位-理论上的最小值是每个致力于计算的量子位需要五个纠错量子位-增加了大量的开销成本,并进一步限制了量子系统的大小。一些研究人员专注于硬件。跨国团队Microsoft Quantum试图在极薄的半导体中使用奇异的“光学粒子”来构造比当今的量子系统更坚固的量子位。

但是,这些变通办法是长期的项目,许多研究人员正在集中精力研究现在或将来五到十年内将可以使用的嘈杂的小型机器所能完成的工作。例如,物理学家潘建伟和他在合肥的中国科学技术大学的团队没有追求通用的,经过纠错的量子计算机,而是追求短期和中期目标。其中包括量子霸权和开发基于量子的模拟器,可以解决材料科学等领域的有意义的问题。他说,“通常将其称为“沿途撒卵”。

加利福尼亚劳伦斯伯克利国家实验室的Bert de Jong着眼于化学领域的应用,例如寻找Haber制氨法的替代方法。目前,研究人员必须进行近似以在经典机器上运行他们的仿真,但是这种方法有其局限性。德·琼说:“要使电池研究或任何依赖于强电子相关性的科学领域取得重大科学进展,就不能使用近似方法。” NISQ系统将能够进行全面的化学反应模拟。但是,当与常规计算机结合使用时,它们可能会展示出优于现有经典模拟的优势。德钟说:“仿真的传统上困难的部分是在量子处理器上解决的,而其余的工作是在经典计算机上完成的。”

硅在量子计算竞赛中获得发展

这种混合方法是Aspuru-Guzik赢得名望的地方。在2014年,他和他的同事设计了一种称为变分量子本征求解器(VQE)2的算法,该算法使用常规机器来优化猜测。这些猜测可能是关于旅行营业员的最短路径,飞机机翼的最佳形状或构成特定分子最低能量状态的原子排列。一旦确定了最佳猜测,量子机器就会搜索附近的选项。其结果将反馈给经典机器,并且该过程一直持续到找到最佳解决方案为止。作为使用NISQ机器的首批方法之一,VQE产生了直接影响,并且团队已在几台量子计算机上使用它来查找分子基态并探索材料的磁性。

那年,当时位于剑桥的麻省理工学院(MIT)的爱德华·法西(Edward Farhi)提出了另一种启发式或最佳猜测的方法,称为量子逼近优化算法(QAOA)3。QAOA是另一种量子-量子混合体,可以有效地进行量子有根据的猜测游戏。麻省理工学院的研究生Eric Anschuetz说,到目前为止,唯一的应用是相当模糊的“优化图形划分过程”,但是这种方法已经产生了一些有希望的衍生产品。

其中一个由Anschuetz和他的同事设计的算法是一种称为变分量子分解(VQF)的算法,其目的是将量子处理的打破加密,大数量分解的功能引入NISQ时代的机器中。在VQF之前,唯一已知的用于这种工作的量子算法是一种称为Shor算法的算法。这种方法为分解大量数据提供了一条捷径,但是可能需要成千上万个量子位才能超出传统计算机所能达到的范围。Zapata的研究人员在今年发表的一篇论文中4指出,VQF在十年之内可能可以在较小的系统上胜过Shor算法。即使这样,没有人期望VQF在那个时间范围内能击败一台经典机器。

其他人正在寻找更通用的方法来充分利用NISQ硬件。例如,一些研究人员没有改变量子位来纠正噪声引起的错误,而是设计了一种处理噪声的方法。有了“减轻干扰”的作用?同一例程在一个嘈杂的处理器上多次运行。通过比较不同长度的运行结果,研究人员可以了解噪声对计算的系统影响,并估计没有噪声的结果。

物理学家提出了足球间距的量子计算机

该方法对于化学看来特别有希望。3月,由位于纽约约克敦高地的IBM托马斯·沃森研究中心的物理学家杰伊·甘贝塔(Jay Gambetta)领导的团队表明,减少错误可以改善在四量子位计算机上执行的化学计算。该团队使用这种方法来计算氢和氢化锂分子的基本特性,例如它们的能量状态如何随着原子间距离而变化。尽管单次嘈杂的运行没​​有映射到已知的解决方案上,但减少错误的结果几乎与之完全匹配。

对于某些应用程序,错误甚至可能不是问题。荷兰莱顿大学的计算机科学家兼物理学家Vedran Dunjko指出,在机器学习中执行的各种任务(例如标记图像)可以应对噪声和近似值。“您要对图像进行分类以说它是人脸,猫还是狗,就没有清晰的数学描述来描述这些事物的模样,并且我们也不会寻找。” Dunjko说。

模糊的未来

IBM的Gambetta团队也一直致力于NISQ系统的量子机器学习。今年早些时候,该小组与英国牛津大学和麻省理工学院的研究人员合作,报告了两种量子机器学习算法,这些算法旨在挑选大数据集中的特征6。人们认为,随着量子系统变得越来越大,它们的数据处理能力应该成倍增长,最终使它们能够处理比传统系统更多的数据点。该算法提供了“可能的量子优势之路”。团队写道。但是,与机器学习领域的其他示例一样,还没有人能够证明其量子优势。

在NISQ计算时代,总有一个“难题”。例如,Zapata分解算法可能永远不会比传统机器更快地分解数字。尚未在真正的硬件上进行任何实验,也没有任何方法可以通过数学证明其优越性。

产生了其他疑问。加利福尼亚州圣克拉拉英特尔实验室的Gian Giacomo Guerreschi和Anne Matsuura对Farhi QAOA算法进行了仿真,发现用现实建模的噪声来解决现实世界中的问题在当今NISQ系统大小的机器上效果不佳7。贾科莫·古雷斯基(Giacomo Guerreschi)说:“您的工作增加了警告。”“没有引入对QAOA协议的数量级改进,它将需要数百个量子位才能胜过传统计算机上可以完成的工作。” / p>

Dunjko指出,NISQ计算的一个普遍问题是及时解决的。常规计算机可以无限期有效地运行。量子系统可能会在几分之一秒内失去其相关性,从而失去其计算能力。结果,经典计算机不必运行很长时间就能超越当今量子机器的功能。

通过关注经典算法的缺点,NISQ研究也为自身带来了挑战。事实证明,当进行研究时,其中许多可以改进到量子算法可以竞争的地步。例如,在2016年,研究人员开发了一种量子算法,该算法可以从大数据集中得出推论8。由于它与在线使用的“可能也一样”算法相似,因此被称为一种推荐算法。理论分析表明,该方案比任何已知的经典算法都快得多。但是在去年7月,当时德克萨斯大学奥斯汀分校本科生的计算机科学家Ewin Tang制定了一种工作更快的经典算法9。

量子互联网已经到来(而且还没有)

从那以后,Tang总结了自己的策略,采取使量子算法快速运行的过程,然后重新配置它们,使其可以在经典计算机上运行。这也使她也从其他一些量子算法中剥夺了优势。研究人员说,尽管有很多努力和招架,但它是一个友好的领域,正在改善经典计算和量子方法。唐(Tang)说:“结果令人满怀热情,”他现在是西雅图华盛顿大学的博士学位学生。

然而,目前,研究人员必须与一个事实作斗争,即仍然没有证据表明当今的量子机器会产生任何用途。NISQ可以简单地成为广泛的,可能没有特色的景观研究人员必须经过的名称,然后他们才能构建能够以有用的方式超越传统计算机的量子计算机。Preskill说:“尽管有很多关于我们可以使用这些近期设备做些什么的想法,”“人们真的知道它们将对自己有什么好处。”?/ p>

德容(De Jong)对于不确定性还可以。他将短期量子处理器视为更多的实验室工作台,即受控的实验环境。NISQ的噪声成分甚至可能被视为一种好处,因为现实世界的系统(例如用于太阳能电池的潜在分子)也会受到周围环境的影响。他说:“探索量子系统如何响应其环境对于获得驱动新科学发现所需的理解至关重要。”

阿斯普鲁·古兹克(Aspuru-Guzik)对即将发生的重大事情充满信心。在墨西哥,十几岁的时候,他曾经破解电话系统以获取免费的国际电话。他说,他在一些年轻的量子研究人员中看到了同样的冒险精神,尤其是现在,他们可以有效地“介入”并在诸如以下公司提供的小型量子计算机和模拟器上进行尝试。 Google和IBM。他认为,这种便捷的访问方式对于制定实用性至关重要。他说:“渊源必须入侵量子计算机。”“这里有形式主义的作用,但也有想象力,直觉和冒险的作用。也许与我们有多少个量子位无关;也许与我们拥有多少黑客有关。?

自然574,19-21(2019)

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