人類首次實現量子計算機之間的性能對比驗證

來自專欄 天空之眼

據《物理學組織網站》2017年4月14日報道，近日，馬里蘭大學聯合量子研究所（JQI, Joint Quantum Institute）的研究人員史無前例地對兩台利用不同技術製造的小型量子計算機實施了基準測試，這是人類首次實現量子計算機之間的性能對比驗證。

研究人員成功將自己製造的小型量子計算機與IBM製造的量子計算平台IBM Q進行了性能對比。兩台量子計算機都具有5個量子比特的計算能力且二者的錯誤率幾乎相同。不同的是，JQI研究團隊的量子計算機以囚禁原子離子作為量子比特，而IBM Q則以超導材料耦合區域作為量子比特。為了進行性能對比，研究團隊在兩個量子計算平台上分別運行了幾個量子程序來解決一個簡單的問題，其中每個程序每次都可以通過一連串的邏輯門操控一到兩個量子比特來對問題進行處理。研究人員利用網路介面訪問IBM Q，這樣任何人都有機會親自為IBM Q編寫程序。

D波最新處理器可以處理 2000 量子比特，遠超之前模型的能力

測試結果顯示，兩台量子計算機都有各自的優勢與不足。例如，超導量子計算平台的速度更快且容易實現批量生產，但其人造量子比特各不相同且壽命很短。囚禁離子量子計算平台雖說速度較慢，但其量子比特的壽命遠遠超過其它任何類型的量子比特，此外，囚禁離子量子比特的一致性很好，能夠進行十分準確的複製。對於涉及多對量子比特的計算任務，囚禁離子量子計算平台的準確率更高。研究人員認為這歸功於囚禁離子計算平台所具有的獨特的全連接量子比特架構，即其中的任意一個量子比特與其它量子比特之間都存在直接連接，這就意味著一個邏輯門可連接任意一對量子比特。而IBM Q計算平台中量子比特的連接數還不到囚禁離子計算平台的一半，為了完成某些複雜任務，就必須將信息在各量子比特之間進行混排，這樣一來難免會引入計算錯誤。如果不考慮混排的問題，兩種量子計算平台的性能不分伯仲。

陷俘離子式量子計算機核心部分的原型

當前製造更大規模量子計算機的競賽正持續升溫，各種技術之間的角逐愈演愈烈，都想成為未來量子計算領域的主角。

中國科學院院長白春禮4月10日透露，中科院正在研製中國首台量子計算機。據悉，使用億億次的「天河二號」超級計算機求解一個億億億變數的方程組，所需時間為100年。而使用一台萬億次的量子計算機求解同一個方程組，僅需0.01秒。

那麼什麼是量子計算機？

量子計算機，是一種全新的基於量子理論的計算機，遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究。量子計算機應用的是量子比特，可以同時處在多個狀態，而不像傳統計算機那樣只能處於0或1的二進位狀態。它們可以在量子比特（qubit）上運算，可以計算0和1之間的數值。假想一個放置在磁場中的原子，它像陀螺一樣旋轉，於是它的旋轉軸可以不是向上指就是向下指。常識告訴我們：原子的旋轉可能向上也可能向下，但不可能同時都進行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態的總和，一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。在量子的奇妙世界中，每一種物體都被使用所有不可思議狀態的總和來描述。

我們正在使用的計算機的操作嚴格遵守著邏輯法則。但是微小的量子物體，比如電子、或光子等，可以打破這些規則。基於這些打破傳統的量子規則，量子計算機的想法就此孕育而生，它以一種全新的方式處理信息。使它們的運算速度在某些方面相比經典計算機要呈指數增加。量子計算機不僅速度超快，與普通計算機相比，它還能解決複雜得多的問題。在尋找問題解決方案的時候，它們與人類極為相似，這將令它們可以執行許多人類才能勝任的工作。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。在全功能的量子計算機誕生前，我們肯定還有很多技術問題有待解決，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。

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