乘着量子计算的“波浪”乘着量子计算的“波浪”的力量与基因编辑的陷阱

上周,谷歌的科学家们宣布,他们已经突破了一个关键的门槛:一台实验性量子计算机在几分钟内解决了一个经典计算机需要数年才能解决的问题——按谷歌的计算,需要1万年。后来有争议的声明对手IBM,科学家们被广泛誉为证明量子计算机,使用物质的神秘属性在非常小的尺度上,大大提高处理能力,可以——理论——展览“量子霸权”,甚至大大超过世界上最强大的古典电脑。

哈佛大学物理学教授米哈伊尔·卢金饶有兴趣地观看了这一宣布,部分原因是他与哈佛大学麻省理工学院的合作者们已经建造了一台与谷歌类似功率的量子机器,并将其用于解决科学问题。卢金是哈佛量子计划的联合负责人,他在接受《公报》采访时谈到了本周的量子计算新闻。

Q&

米哈伊尔·鲁金

宪报:什么是“量子至上”?为什么讨论量子计算很重要?

卢金:让我先来描述一下量子计算机。它们构成了一种处理信息的新方法,一种利用量子力学定律的方法。量子力学是物理学的一门学科,在微观层面上描述粒子、原子和原子核的行为。

《公报》:它是否利用了那些非常微小的行为差异,而这些行为与我们在宏观世界中所预期的不同?

卢金:它利用了行为上的差异,尤其是量子世界的一个非常奇怪的特征。也就是说,物体可以同时处于几个不同的状态——在几个不同的地方。这听起来很奇怪,但在量子世界里,一个物体可以同时在你的办公室和我的办公室里。尽管这听起来很奇怪,但量子“叠加”的概念已经得到了证实,而且在过去的一个世纪里,在涉及单个原子等微观物体的实验中,人们经常对其进行研究。

宪报:现在,这不是一个新的想法,甚至在这一点上,是一个革命性的想法,因为它实际上用于某些应用程序,人们每天看到,对吗?

鲁金:是的。甚至某些技术,如磁共振成像(MRI),也是基于这种叠加的思想。所以当你在医院做核磁共振时,会用到叠加。叠加看起来很奇怪,因为这些效应在宏观世界中不会发生。微观物体的量子叠加极其脆弱,容易受到任何环境扰动的影响。单个光子撞击量子叠加可以导致其坍塌。这意味着当你看它的时候,你总会在一个地方或另一个地方发现一个物体。量子计算的思想是利用这些叠加来大规模并行处理信息。如果你使用传统的计算机,你会把你的信息编码成一串0和1。在量子计算机中,你可以准备一种状态它有各种0和1的组合,它可以是一种状态,也可以是另一种状态,还可以是另一种状态。然后,只要它是量子力学的,只要它能保持这种叠加,它就能同时处理所有这些输入。这种并行性产生了一个非常强大的计算机。

宪报:什么是“量子霸权”的门槛,谷歌说,它通过了这个星期?

卢金:这种大规模的并行运算使人们能够在经典计算机上以指数速度加快量子计算。量子比特是经典计算机中比特的类比,用于存储叠加态。所以,即使一台量子计算机只有50个量子比特,这看起来非常小,但要让一台经典的机器来模拟它也是非常具有挑战性的。原因是即使50个量子位处于叠加状态,也可以一次存储和处理指数级的更多组合。如果你有一个300量子位的系统,你可以存储和处理比宇宙中粒子的数量还多的信息。所以这个至上的想法是你建立一个足够大,足够量子,足够可编程的系统,你可以执行的操作是最好的经典计算机在任何合理的时间都无法模拟的。

宪报:在这个特定的例子中,我们讨论的是一个有53个量子位元的量子计算机。它到底有多大?它与超级计算机相比如何?

卢金:在物理尺寸方面?这是一个设备齐全的房间。有点像橡树岭国家实验室的顶峰超级计算机。

GAZETTE:但是它的计算能力是指数级的吗?

卢金:希望如此。如果你有一个50量子位的系统,并且运行它足够长的时间来执行一个足够通用的算法,对于最好的经典计算机来说,要赶上它将是非常非常具有挑战性的。如果他们能赶上来,你可以再加几个量子位——超过60、70或100——很明显,经典的计算机是完全不可能赶上来的。

竞争对手IBM对谷歌的成就表示怀疑。你知道这里谁对谁错吗?

卢金:谷歌的成就令人印象深刻。但它指出了一个具体的计算,并说:“我们越过了门槛。“我认为,实际上并不完全是这样。毫无疑问,一旦量子计算机变得足够大,经典计算机就无法模拟它们。这是非常明确的。很明显,50个量子位是一个门槛,他们建立的系统与世界上现存的最好的系统,包括哈佛的,竞争非常激烈。他们所做的就是一个很好的例子来检验这个所谓的至尊理念。然而,大约50个量子位系统已经在其他实验室使用了,包括我们的实验室,在过去的两年左右。对于这种规模的系统,已经进行了大量的实验,而传统计算机很难赶上这些实验。从这个意义上说,我认为现在发生的事情不是一个单一的事件,而是一个即将到来的浪潮。可能是IBM的人发现了一种算法,可以有效地在经典计算机上模拟谷歌量子计算机所做的事情。我对此并不感到惊讶,但同时,很明显,作为一个社区,我们正在进入一个从来没有人去过的地方,这意味着我们可以比传统电脑做得更快。它正在发生。

宪报:谷歌试图解决的问题是什么?

卢金:谷歌试图解决的具体问题类似于以量子方式生成随机数。他们使用的算法在设计上并不实用。所以在这个实际的意义上,量子霸权本身,对我来说,并没有太大的意义。但真正令人兴奋的是——这是该领域的一个关键目标——为有用的东西获得量子优势。你执行这个算法,实际上你学到了一些东西。有两种有用的量子优势,一种用于科学应用,另一种用于一般用途。谷歌的论文介于两者之间。

宪报:纯粹作示范用途?

卢金:是的,这是一个演示实验。然而,在科学应用领域,量子计算机对于模拟复杂的量子系统是非常有用的。这就是我们在哈佛所关注的。事实上,使用我们的系统,我相信我们已经进入了一个领域,在科学应用方面我们拥有有用的量子优势。使用我们的51量子位系统,我们已经做出了最大的量子叠加态之一,而且我们已经发现了以前不知道的新现象,你不能用蛮力经典模拟来发现。事实上,在哈佛,在不同的实验室,我们至少有两个系统已经或正在进入这个领域(量子霸权)用于科学应用。我认为这是非常重要的,因为这些实验已经为科学界创造了价值。

《公报》:那么,如果量子霸权的定义是要做得更快,或者是传统计算机做不到的事情,你已经做到了?

鲁金:没错。你可能会说,这些都不是街上的人会关心的问题,我对此很敏感。另一个目标是寻找具有实际意义的量子优势,这是令人兴奋的,我认为我们现在处于一个独特的位置来应对。这可能是IBM的观点之一,我同意这一点。即使是谷歌的团队也会同意,现在的真正目标是展示一些量子计算机可以用于科学应用或通用应用的例子。

《公报》:你认为在未来,量子计算机会取代日常生活中的传统计算机吗?比如智能手机和笔记本电脑?还是说量子计算机在特定领域会很有价值而经典计算机在其他领域仍然很有价值?

路金:很难预测未来。但我最好的猜测是后者:量子计算机将被用作解决经典机器很难解决的问题的加速器。

宪报:所以,当你思考那些真正困难的大问题时,你是在思考气候建模或核聚变研究之类的事情,还是在讨论其他事情,比如你用自己的研究来理解一些非常复杂的东西,比如量子力学本身?

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卢金:我很想回答“以上所有”。“有不同种类的问题。例如,理解复杂材料和模拟化学反应是基本的量子力学问题,这就是为什么经典计算机很难解决它们的原因。了解复杂的量子系统在远离平衡状态下的行为,寻找物质的新相,这些都是我们已经利用量子优势解决的问题。这项工作已经激发了许多研究方向。还有其他一些问题挑战了传统计算机的极限,比如气候建模或复杂优化——为网络、信号路由、金融、物流和人工智能寻找最佳安排。我们希望量子计算机最终能加速与这些问题相关的计算。另一个著名的问题是因式分解,它与加密有关。当你对你的信用卡号码进行编码时,你目前使用的是所谓的RSA加密,它是基于找到一个大数的因数等问题的难度。对于这类问题,有一些量子算法比最著名的经典算法要快得多。同时,量子计算机实际上可以用来提高通信通道的安全性——这是另一个有用的量子优势的例子。

宪报:你能谈谈未来的挑战吗?

卢金:重要的是要强调两点:我们仍然不知道如何建造真正大规模的量子机器,包含成千上万的量子位。解决这个问题有几种方法需要认真研究,但目前我们还不知道一个真正的大规模量子计算机最终会是什么样子。我们已经讨论过的第二个问题是,我们仍然不知道量子计算机在哪些应用方面最有用。这一领域处于一个独特的位置,许多基础研究仍有待完成,但一些系统已经准备好进行设计和部署,尽管规模相对较小。

宪报:我想谈谈在这个领域工作的社区和哈佛量子计划。它现在有多久了?

卢金:大概有一年了。在哈佛大学和麻省理工学院之间,有一个非常特殊的研究团体,研究这一前沿领域的各个方面。在一个高度合作的社区里,大约有40个研究小组,真正跨越了这两家机构和几家初创公司。这些组织中的许多已经是各自领域的世界领导者,当他们一起工作时,一些非常特别的事情就会发生。这也是教育学生的一个独特的机会,他们最终将成为这个令人兴奋的跨学科领域的领导者。促进这些合作和培养新一代量子科学家和工程师是哈佛量子计划的关键目标。我们在量子计算机上的工作就是这样一个例子:来自我们两个机构的理论家、实验员、工程师和计算机科学家之间真正的合作项目——这是我们的竞争优势,我们的“秘密武器”。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/10/harvard-weighs-in-on-googles-quantum-supremacy/

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