量子计算优越性+2up:我国团队同时升级了两种量子计算原型机 | 墨子沙龙
小贴士
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假设我们正在玩“扔硬币”的游戏。请你猜一猜,我扔出正面的概率是多少?
你肯定会说,太简单了!连小学生都知道,一枚硬币扔出正面的概率是50%——如果其中没有什么猫腻的话。
现在,我换个难度提问:假如我们扔的不是普通硬币,而是一枚量子硬币呢?
(一)量子比特:一种量子的硬币
世界上任何一台量子计算装置中,都包含一种量子的硬币。这种量子硬币有一个我们熟知的名字,叫
量子比特。
那么,为什么我们可以把量子比特看作一种量子硬币呢?
也就是说,读取一个量子比特的过程,就像你在扔一枚量子硬币,完全是随机发生的。
同时,读取一个量子比特的结果,也像你在扔一枚量子硬币,结果要么是1(如同硬币的正面),要么是0(如同硬币的反面),绝对不会存在其他结果。
(二)概率的概率分布:
量子硬币的输出
对于这个问题,物理学家的回答是,这要看量子比特具体处于何种量子状态。
所以,要想知道量子硬币扔出以后的概率,我们就得预先知道这枚量子硬币处于以上哪种情况。用物理学的黑话来说,
我们得预先知道这个量子比特处于哪一种量子状态。
这时,物理学家能给出的唯一合理答案是,以上情况皆有可能,每种情况的出现都对应一定的概率。如果“把正面朝上的概率大小”画成一张概率分布图,那么你就会看到一张这样的图:
把这张图翻译成大白话就是:
我们有1%的概率得到一枚处于特定量子状态的量子硬币,将它“扔出正面朝上的概率为0-1%”;我们有1%的概率得到另一枚处于不同特定量子状态的量子硬币,将它“扔出正面朝上的概率为1%-2%”;……我们有1%的概率得到又一枚处于不同特定量子状态的量子硬币,将它“扔出正面朝上的概率为99%-100%”。
这就是物理学家对这个问题能给出的最好回答。
反正你只需要知道,假如我扔出一枚量子硬币,问它正面朝上的概率是多少。正确的答案不是一个具体的概率值,而是一张关于概率大小的概率分布图,就可以了。
(三)体现量子计算优越性:
扔出2N个面的多面量子骰子
说到这儿你可能有点儿不耐烦了?我们好不容易搞清楚了一枚具有正反面的量子硬币怎么扔,现在为啥突然要去研究具有2
N个面的多面量子骰子呢?
用一句话概括量子计算的好处,就是:
于是问题又来了,量子计算在处理哪些特定问题时,能够切实体现量子计算的优越性呢?
跟扔量子硬币类似,对于一枚特定的多面量子骰子,它1号面朝上、2号面朝上……2
N号面朝上的结果出现的概率都是固定不变的。这些概率的具体数值取决于扔骰子时,骰子对应何种量子状态。
最后,仍然跟扔量子硬币类似。如果我问,扔一枚多面量子骰子,得到1号面朝上、2号面朝上、……2
N号面朝上的结果出现的概率分别是多少?
由于计算过程涉及更复杂的数学知识,我就不具体讨论了。
(四)祖冲之号2.0:
56个量子比特的随机线路采样
值得一提的是,“祖冲之号” 2.0的性能超越2019年谷歌“悬铃木”2-3个数量级。
他们的论文发表在了2021年
10月25日的《物理评论快报》(PRL)上。
这个实验的原理很简单,就是制造出多面骰子,然后扔出去并记录结果,得到一个关于概率大小的概率分布。但实验步骤描述起来有点儿复杂。关心细节的同学可以看
[注1][注2]。
完成相同的任务,世界上速度最快的“Summit”超级计算机需要花费7年半的时间!
你可能会问,超级计算机的计算过程真的那么慢吗?答案是真的那么慢。我们看一看其中的数据量你就明白了。
“九章”2.0与“祖冲之”2.0背靠背地发表在了2021年
10月25日的《物理评论快报》(PRL)上。
(五)寻求量子纠错和更复杂的
量子算法
说到这儿你可能会问?这就玩啦?研究组辛辛苦苦搭建了一个平台,仅仅是为了扔骰子吗?
例如对于“祖冲之号”2.0的工作,当量子比特的数量和线路的层数增多时,量子计算的误差不但会随之增大,而且会变得越来越不可控。
而“九章”2.0的计算规模、复杂度比“九章”1.0大大提高,有两处值得关注的升级:
注:
1. “祖冲之号” 2.0随机线路采样实验的大致步骤:
2. 我们在理论上想要实现的采样步骤和实际上在“祖冲之号”2.0中实现的采样步骤略有不同。
3. 相比之下,由于Google“悬铃木”的量子比特少一些,采样次数也有所不同,因此,使用“Summit”超级计算机完成经典模拟,只需要2天的时间。
参考文献:
1. Yulin Wu et al. Strong Quantum Computational Advantage Using a Superconducting Quantum Processor. Phys. Rev. Lett. 127, 180501.
2. Han-Sen Zhong et al. Phase-Programmable Gaussian Boson Sampling Using Stimulated Squeezed Light. Phys. Rev. Lett. 127, 180502.
3. 覃俭. 实验光学量子信息处理[D]. 合肥:中国科学技术大学,2021.
End
作者:Sheldon
绘制:赏鉴、周源
美指:牛猫
排版:Mirror
鸣谢:吴玉林,陆朝阳
背景简介:本文2021年10月27日发表于微信公众号 墨子沙龙(漫画 | 量子计算优越性+2up:我国团队同时升级了两种量子计算原型机),风云之声获授权转载。 责任编辑:陈昕悦
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