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Science: 首次证明量子计算机的优势(附原文) 精选

已有 5595 次阅读 2018-10-21 16:16 |个人分类:新观察|系统分类:海外观察| 量子计算机, Science

Science: 首次证明量子计算机的优势(附原文)

据德国慕尼黑工业大学Technical University MunichTUM20181018日提供的消息,美国IBM T. J.沃森研究中心(IBM T. J. Watson Research Center)的研究人员与德国慕尼黑工业大学的研究人员合作,首次证明了量子计算机的优势。该研究成果20181019日在《科学》(Science)杂志网站已经发表——Sergey Bravyi, David Gosset, Robert König. Quantum advantage with shallow circuitsScience, 19 Oct 2018: Vol. 362, Issue 6412, pp. 308-311. DOI: 10.1126/science.aar3106

2018 Quantum advantage with shallow circuits.pdf

据网络介绍,量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。1982年,美国著名物理物学家理查德·菲利浦·费曼(Richard Phillips Feynman11 May 191815 Feb 1988在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的新奇想法。紧接其后,1985年,英国物理学家大卫·杜斯(David Deutsch)提出了量子图灵机模型(quantum Turing machine)。理查德·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少,从而量子计算机的概念诞生了。

美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大学四个研究组已实现7个量子比特量子算法演示。2001年,科学家在具有15个量子位的核磁共振量子计算机上成功利用秀尔算法(Shor's algorithm)15进行因式分解。2005年,美国密歇根大学(University of Michiga的科学家使用半导体芯片实现离子囚笼(ion trap)。 20072月,加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机,但其作用仅限于解决一些最优化问题,与科学界公认的能运行各种量子算法的量子计算机仍有较大区别。2009年,耶鲁大学的科学家制造了首个固态量子处理器。20091115日,世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生。同年,英国布里斯托尔大学的科学家研制出基于量子光学的量子计算机芯片,可运行秀尔算法。2010331日,德国于利希研究中心发表公报:德国超级计算机成功模拟42位量子计算机,该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机,在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。20114月,一个成员来自澳大利亚和日本的科研团队在量子通信方面取得突破,实现了量子信息的完整传输。2011511, 加拿大的D-Wave System Inc.发布了一款号称 全球第一款商用型量子计算机的计算设备“D-Wave One”。该量子设备是否真的实现了量子计算还没有得到学术界广泛认同。同年9月,科学家证明量子计算机可以用冯·诺依曼架构来实现。同年11月,科学家使用4个量子位成功对143进行因式分解。20122月,IBM声称在超导集成电路实现的量子计算方面取得数项突破性进展。同年4月,一个多国合作的科研团队研发出基于金刚石的具有两个量子位的量子计算机,可运行Grover算法,在95%的数据库搜索测试中,一次搜索即得到正确答案。该研究成果为小体积、室温下可正常工作的量子计算机的实现提供可能。同年9月,一个澳大利亚的科研团队实现基于单个硅原子的量子位,为量子储存器的制造提供了基础。同年11月,首次观察到宏观物体中的量子跃迁现象。20135D-Wave System Inc宣称NASAGoogle共同预定了一台采用512量子位的D-Wave Two量子计算机。

20188 22 日,D-Wave 系统公司在 Nature 杂志发表了一项里程碑式的研究,使用 2048-qubit 的退火量子计算机演示了拓扑相变。这种复杂的材料量子模拟是减少耗时且昂贵的物理研究和开发的重要一步。此论文的作者有29人,这项工作标志着该领域的一个重要进展,并再次证明,完全可编程的 D-Wave 量子计算机可以大规模地用作量子系统的精确模拟器。此项研究中使用的方法可能对新材料的开发具有广泛的影响,它实现了理查德·费因曼(Richard Feynman)对量子模拟器的最初设想。而且20181019罗伯特康尼锡(Robert König等人在《科学》(Science)杂志网站发表论文,首次证明了量子计算机的优势。

罗伯特康尼锡(Robert König)教授是一位TUM的一位研究复杂量子系统理论研究者,与来自加拿大滑铁卢大学量子计算研究所(Institute for Quantum Computing at the University of Waterloo)的大卫·戈塞特(David Gosset)和来自IBM的Sergey Bravyi合作,已经为前景广阔的量子计算机研究奠定了基石。

传统计算机服从经典物理学定律。他们依靠二进制数字01。存储这些数字用于数学运算。在常规内存单元,每个最小单位比特(bit)是由一个确定是否被设置为10的电荷来表示的。然而,在一个量子计算机中,一个比特可以同时是01。这是因为量子物理学定律允许电子一次占据多个状态。因此,量子比特(Quantum bits)即量子位(qubits)存在多个重叠状态。这种所谓的叠加允许量子算机执行这些一箭多雕的操作,而单一的传统计算机必须按顺序执行这些操作。量子计算的前景就在于解决某些问题的能力明显更快。更多信息请注意浏览原文或者相关报道。

First proof of quantum computer advantage

October 18, 2018, Technical University Munich

2018 Quantum advantage with shallow circuits.pdf

http://science.sciencemag.org/content/362/6412/308

Abstract

Quantum effects can enhance information-processing capabilities and speed up the solution of certain computational problems. Whether a quantum advantage can be rigorously proven in some setting or demonstrated experimentally using near-term devices is the subject of active debate. We show that parallel quantum algorithms running in a constant time period are strictly more powerful than their classical counterparts; they are provably better at solving certain linear algebra problems associated with binary quadratic forms. Our work gives an unconditional proof of a computational quantum advantage and simultaneously pinpoints its origin: It is a consequence of quantum nonlocality. The proposed quantum algorithm is a suitable candidate for near-future experimental realizations, as it requires only constant-depth quantum circuits with nearest-neighbor gates on a two-dimensional grid of qubits (quantum bits).




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