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一条新的定律预测了量子计算的崛起

2019-7-25 23:06:42来源:原理微信公众号作者:Alessandro责编:远洋评论:

一项颠覆性的新技术即将出现!而且,这项技术有望将计算能力提升到前所未有的高度。为了能预测“量子计算”的发展速度,谷歌的量子人工智能实验室主任Hartmut Neven提出了一条新的定律,这条定律与已用来衡量计算机发展超过50年之久的摩尔定律有些类似。

但是,我们可以相信“Neven定律”能够真实地代表量子计算现在的进展吗?最重要的是,它能代表未来会发生什么吗?还是说现在就做出这样的判断还为时过早?

我们知道,经典计算机会以电信号的形式储存数据,电信号可以有两种状态——1或0。与之不同的是,量子计算机可以使用许多物理系统来存储数据,比如电子和光子。这些系统可以在多种状态下编码信息,这使得量子计算机的计算速度比经典计算机要快得多。

目前,量子计算仍处于起步阶段,而且迄今为止人们还没有制造出一台能够超越经典超级计算机的量子计算机。不过,尽管存在一些怀疑,但人们对现有的快速进展普遍感到兴奋。因此,了解在未来几年量子计算机有可能发生些什么对我们是很有帮助的。

摩尔定律描述的是,经典数字计算机的处理能力几乎每两年就会翻一番,因而创造出呈指数状态增长的趋势。这一定律是以英特尔联合创始人戈登·摩尔的名字命名的,更准确地说,这条定律描述了硅微芯片上所集成的晶体管数量的增长速度。

但是量子计算机是以一种非常不同寻常的方式按照量子物理定律设计的。所以摩尔定律并不适用,于是Neven定律便有了的用武之地。Neven定律指出,量子计算能力正在经历“相对于传统计算的双指数增长”。

指数增长指的是以2的指数增长的东西,即2¹(2)、2²(4)、2³(8)、2⁴(16)等等;双指数增长意味着的是以2的指数的指数增长的东西,即2²(4)、2⁴(16)、2⁸(256)、2¹⁶(65536)等等。从这个角度来看,如果摩尔定律下的经典计算机是呈双指数增长、而非单指数增长的,那么我们早在1975年就有了现如今的笔记本电脑和智能手机了。

Neven希望,这种极快的速度能很快带来所谓的量子霸权:一个小小的量子处理器将超越最强大的经典超级计算机,这将是一个备受期待的里程碑。

这种双指数增长的原因是基于内部的观察。在一个采访中,Neven表示谷歌的科学家在降低量子计算机原型上的错误率方面做得越来越好,使得他们在每次迭代中都能构建更复杂和更强大的系统。

Neven甚至认为这种进步本身就是指数级的,与摩尔定律很像。但是对于同等大小的处理器来说,量子处理器天生就比传统的经典处理器要好得多,而且是指数级的好得多。因为量子处理器会利用了量子物理中的纠缠效应,使得可以同时完成不同的计算任务,从而带来指数级的速度提升。

所以简单地说,如果量子处理器呈指数速度发展,而且它们呈指数的快于经典处理器,那么量子系统相对于经典处理器的发展速度就是双指数速度。

虽然这听起来令人兴奋,但我们也需要谨慎行事。对于初级阶段来说,Neven的结论似乎是基于一小撮原型和在相对较短的时间内(一年或更少)测量的进展。因此,只有很少的数据点能与外推的增长模式相符。

还有一个实际问题,那就是随着量子处理器变得越来越复杂和强大,现在显得微不足道的技术问题或许变得越来越重要。例如,即使是量子系统中的很小的电子噪声也能导致计算错误,而随着处理器复杂度的增加,这种计算错误也会变得越来越频繁。

这个问题可以通过实现错误纠正协议来解决,但是这就意味着需要向处理器添加大量的备份硬件,而这会带来冗余。因此,计算机将不得不变得更加复杂,而同时又无法获得太多额外的回报,甚至毫无回报。这类问题可能会影响Neven的预测,但目前还不适合过早下结论。

尽管摩尔定律只是一种经验观察,并不是自然的基本定律,但它在50多年的时间里以惊人的准确信预言了传统计算的进步。从某种意义上说,这不仅仅是一个预测,因为它刺激了芯片行业去采用一致的路线图、制定有规律的里程碑、评估投资规模和评估预期收入。

如果Neven的观察被证明像摩尔定律一样具有预言性和自我实现能力,那么它也必将能产生远超过只是对量子计算性能作出预测的影响。但是在这个阶段,没有人知道量子计算机是否会被广泛商业化,还是仍然只是一些专业玩家才能拥有的玩具。但如果Neven定律成立,我们很快就会找到答案。

撰文:Alessandro Rossi(斯特拉斯克莱德大学)、Fernando Gonzalez-Zalba(剑桥大学)

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关键词:量子计算机

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