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  • 作者:杨晓凡谷歌量子 AI 实验室今天发布了新的 72 位量子比特的量子处理器 Bristlecone。虽然目前还没有看到具体的实验结果,但这块芯片的未来有很大潜力,很有可能达成量子计算领域内的重要里程碑。谷歌量子 AI...
        

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    作者:杨晓凡


    谷歌量子 AI 实验室今天发布了新的 72 位量子比特的量子处理器 Bristlecone。虽然目前还没有看到具体的实验结果,但这块芯片的未来有很大潜力,很有可能达成量子计算领域内的重要里程碑。


    谷歌量子 AI 实验室(Google Quantum AI lab)的目标是建造可以用于解决真实世界问题的量子计算机,他们的研究策略是在可以和大规模、通用化、可纠错的量子计算机向前兼容的系统上探索短期解决方案。为了让量子处理器运行经典模拟算法之外的算法,它当然需要更多的量子比特(qubit)数目,但它还需要更多。最关键的是,这个处理器必须在读取以及单、双量子比特门之类逻辑操作中保持很低的错误率。


    一年一度的美国物理学会(American Physical Society)会议正在洛杉矶举行,谷歌量子 AI 实验室今天就在会议上公布了他们新的量子处理器 Bristlecone。这是一个基于门电路的超导系统,它的设计目标就是为谷歌的量子技术提供系统错误率和拓展性的研究测试平台,当然也可以探索量子模拟、量子优化以及量子机器学习方面的应用。


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    Bristlecone 是谷歌的最新量子处理器(左图)。右侧是这个芯片的结构示意图,每一个「X」代表一个量子比特,相邻最近的量子比特之间是相连的


    谷歌之前设计的 9 量子比特的线性矩阵已经展现出了低读取错误率(1%)、低单量子比特门错误率(0.1%)、以及最重要的低双量子比特门错误率(0.6%),这也是谷歌目前所能达到的最好结果。新的 Bristlecone 的指导设计思路就是延续之前技术中的物理特性,在耦合、控制、读取中都使用了同样的方法,但把矩阵规模大幅扩大到了 72 量子比特。谷歌之所以选择把新的芯片设计到这个规模,是希望未来得以展示「量子霸权」(指对于某些问题, 量子算法的效率远远优于经典算法)、可以通过表层编码做一阶和二阶的错误纠正,以及帮助为真正的通用化硬件设计量子算法。


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    展示错误率和量子比特数目之间关系的二维概念示意图。图中的红线表示谷歌量子 AI 实验室的研究方向,他们希望沿着这个方向、以构建出带有错误纠正能力的量子计算机为目标,先取得一些短期应用成果


    在探究具体的应用之前,量化认识量子处理器的计算能力也是很重要的一件事。已经有别的理论物理团队为这项任务开发了 benchmark 工具。对于错误率测试,可以向设备输入一个随机的量子电流作为单个系统误差,然后检查样本的输出扰动并把它和经典方法模拟的结果做对比。如果一个量子处理器运行时的错误率最够低,它运行某些定义好的计算机科学问题的速度就可以远超过经典方法的超级计算机,这也就是我们所说的「量子霸权」。测试中使用的随机电流在量子比特数目和计算长度(深度)两个方面都需要足够大。虽然目前还没有人达到错误率 0% 的目标,但是根据谷歌量子 AI 实验室计算,只需要量子比特数目达到 49 位、电路深度超过 40、双量子比特门错误率低于 0.5% 就已经可以展现出明显的「量子霸权」。谷歌相信,一次成功的量子处理器超越经典超级计算机的实验将成为这个领域的分水岭,而这也将是谷歌量子 AI 团队追寻的重点目标。


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    位于 Santa Barbara 的谷歌量子 AI 实验室中,研究科学家 Marissa Giustina 正在安装一块 Bristlecone 芯片


    谷歌量子 AI 团队之前已经在 9 位量子比特的设备上取得了目前最佳的错误率,他们也正在努力尝试在 Bristlecone 的所有 72 个量子比特上都取得类似的表现。一旦 Bristlecone 获得全面成功,这也将为构建更大规模的量子计算机提供极具说服力的原理论证。要让 Bristlecone 这样的设备以低系统错误率运行,也需要软件设计、电子控制和处理器本身等一系列技术的协调工作,只有经过非常仔细的系统工程和多次迭代更新才有可能达成。


    对于用 Bristlecone 达成「量子霸权」,谷歌量子 AI 团队保持谨慎乐观的态度,同时也觉得学习建造和运行这种性能级别的设备是一个令人兴奋的挑战。谷歌量子 AI 团队也非常期待未来得以展示自己的实验成果,以及和别的团队共同协作尝试更多实验。


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    谷歌今天宣布推出一款72个量子比特的通用量子计算机Bristlecone,实现了1%的低错误率,与9个量子比特的量子计算机持平。谷歌认为使用Bristlecone可以实现量子霸权。上周IBM才曝光了其50个量子比特量子原型机内部构造。谷歌在量子比特位数和错误率上的亮眼表现,霎时将2018年的量子霸权竞赛赛点提前,接下来就看微软传言中的里程碑表现。


    今天,谷歌量子AI实验室研究科学家JulianKelly在GoogleResearch官博发文,介绍了经过同行评议的,谷歌的最新72位量子比特通用计算机。


    “我们刚开始测试,”Google的物理学家JohnMartinis说:“从目前我们所知道的情况来看,我们非常乐观。”Martinis说,如果一切运作良好,量子霸权可能会在几个月内实现。


    Kelly介绍说,谷歌量子AI实验室(GoogleQuantumAILab)的目标是构建可用于解决现实世界问题的量子计算机。谷歌的策略是使用与通用纠错量子计算机兼容的系统来探索近期的应用。为了使量子处理器能够在经典模拟的范围之外运行算法,它不仅需要大规模的量子比特,处理器在读出(readout)和逻辑运算上的低错误率保证也十分重要,比如单比特门和两比特门。


    在洛杉矶举行的美国物理学会年会上,谷歌展示了一个新的量子处理器Bristlecone。这个基于门的超导系统目的在于研究量子比特技术的系统误差率和可扩展性,以及在量子模拟、优化和机器学习中的应用。


    创纪录72量子比特量子计算机,错误率1%,可实现量子霸权


    JulianKelly介绍,这个最新设备遵循是谷歌之前提出的9个量子比特量子计算机的线性阵列技术所对应的物理学原理,而该技术显示的最佳结果如下:低的读数错误率(1%)、单量子比特门(0.1%)以及最重要的双量子比特门(0.6%)。该设备使用与9个量子比特的相同的模式进行耦合、控制和读出,但将其扩展为一个包含72个量子比特的正方形数组。


    实验中,研究人员选择了这种尺寸的设备来展示未来的量子霸权,使用面编码研究一阶和二阶纠错,并促进量子算法在实际硬件上的发展。


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    左边是谷歌最新的72量子比特量子处理器Bristlecone。右边是该设备的图示:每个“X”代表一个量子比特,量子比特之间以线性阵列方式相连。来源:GoogleQuantumAILab


    在研究特定的应用程序之前,对量子处理器的量化能力很重要。谷歌的理论团队已经开发出了一种基准测试工具来完成这项任务,通过在设备上应用随机的量子电路来对系统的任务进行随机分配,并通过一个经典的模拟方法来检查抽样输出的分布情况。对于一个操作误差足够小的量子处理器,它可以在一个明确的计算机科学相关的问题上具有超越经典的超级计算机的表现,也即“量子霸权”。这些随机电路在量子比特和计算长度以及深度上都必须很大。


    虽然目前还没有人可以实现这个目标,但是谷歌研究人员计算后认为,量子霸权的目标可以通过使用49个量子比特,一个超过40的电路深度,一个低于0.5%的2个比特误差进行完美的证明。他们相信,这个量子处理器优于超级计算机的实验证明将会是这个领域的分水岭,同时也是未来的主要目标之一。


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    错误率和量子比特位数之间的关系。红色显示了谷歌量子AI实验室的预期研究方向,他们希望近期能够开发出基于纠错量子计算机的相关应用。来源:GoogleQuantumAILab


    谷歌原本希望在9个量子比特的设备上实现类似的性能,但现在已经做到了72个量子比特。他们指出,未来在建造更大规模的量子计算机时,Bristlecone将会是一个令人信服的原理证明。谷歌也表示,在低的系统错误下运行像Bristlecone这样的设备需要软件、控制电子以及处理器本身等多种技术进行配合,因此接下来还需要在几轮的迭代中对系统工程进行仔细的观察。


    谷歌量子AI实验室指出,使用Bristlecone可以实现量子霸权,而且在这种水平上学习如何构建和操作设备会是一个令人兴奋的挑战。他们期待分享结果,而这也可以帮助更多的研究人员进行这方面的实验。


    谷歌:从49到72,我们不止比IBM优秀一点点


    正如前文所说,谷歌曾表示要建立一个49量子比特的量子计算机来实现量子霸权,并称这是他们计算后的结果。为什么这次一下子跳到了“72”量子比特呢?


    一直以来,大家都认为50个量子比特的量子计算机是实现量子霸权的“起步价”。就在谷歌抛出49个量子比特的量子计算机实现量子霸权的说法后不久,IBM就称,他们的研究表明,对于某些特定的量子应用,可能需要56位乃至更多量子比特才能实现量子霸权。


    不仅如此,2017年11月12日,IBM宣布成功研发出20量子位的量子计算机,并成功建成并测试全球首台50个量子比特的量子计算原型机。


    上周,在旧金山举行的IBMInauguralIndex开发者大会上,IBM对外展示了其50个量子比特原型机,且内部结构图也同时曝光。


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    这可能是为什么谷歌从2017年的“49”一下子跳跃到“72”的一个原因,超出这么多,应该能打消各种疑虑。


    但是,要实现量子霸权,就不得不说刚才提到的量子模拟。目前最强大的超级计算机,只能模拟46个量子比特。在传统电子计算机上模拟通用量子计算机,是一个非常具有挑战性的前沿研究工作。2017年11月,由武汉大学物理科学与技术学院袁声军教授、德国于利希超算中心金丰平研究员、KristelMichielsen教授和荷兰格罗宁根大学HansDeRaedt教授组成的研究团队联合攻关,在中国国家超级计算无锡中心的超级计算机神威·太湖之光上实现了一系列通用量子计算机的模拟,实现45量子比特模拟。然后,在2017年12月,团队再次取得突破,实现了46量子比特模拟,创下了目前的世界纪录。


    可扩展性是实现通用量子计算机所面临的难题之一。从45到46,看上去只是增加了一个比特,但在计算机模拟中,每增加一个量子比特,就需要将计算机的内存增加一倍。例如,模拟一个拥有45个量子比特的量子计算机,需要至少0.5PB(约0.5x10^15字节)的内存。


    因此,要模拟一个72量子比特的计算机,就需要数百万倍的RAM(2^26(72-46)字节)。我们很可能无法在超级计算机中使用那么多的内存。所以,如果Bristlecone能够比当前最强大的超级计算机更快地运行通用算法,那么量子霸权时代才将会到来。


    抢占2018量子霸权竞赛赛点,小型商用量子计算机5年内出现


    除了量子比特,实现量子霸权还需要低的错误率。一台很快但错误率很高的量子计算机,还不如经典的超级计算机。


    根据谷歌的说法,量子计算机的最低错误率必须在1%以内,并且有接近100个量子比特的规模。目前看,在错误率上,谷歌在72位量子计算机上已经实现了这个目标,单量子比特门为0.1%,双量子比特门为0.6%。


    当我们可以实现几十乃至几百万量子比特0.1-1%的错误率时,量子计算机将开始真正高效解决实际问题。这可能需要十年或者更久的时间。


    但是,至少谷歌认为,在制造出大规模量子比特量子计算机之前,我们可能会先实现一些小型的、甚至是商用的量子计算机,或者说量子计算商业应用。


    2017年,谷歌量子团队在Nature刊文称,他们坚信即使还缺乏能够完整纠错的理论,但5年之内仍会有与量子计算有关的小型设备问世,而这也将给投资者带来短期的回报。“早期的量子计算设备将在量子模拟,量子辅助优化和量子采样领域有商业运用。更快的计算速度对从人工智能到金融和医疗等领域具有明显的商业优势。”


    谷歌期望他们72个量子比特的Bristlecone量子计算机不仅能实现量子霸权,还能用作研究量子比特可扩展性和错误率的试验装置,开发量子模拟、优化和机器学习等应用程序。


    2018年1月底,英国《金融时报》放出消息,在接下来几周内,谷歌和微软将分别宣布量子技术的两项里程碑式的重大突破。


    现在谷歌给出了他们的72量子比特量子计算机,接下来,就看微软了。


    来源:凤凰资讯


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  • 量子位采用双点系统。研究了自旋和声子纠缠的电子。
  • Q_01_04 量子比特

    千次阅读 2018-05-06 19:52:33
    代表一个量子比特 虽然一或二进制数字可以具有0或1的值,但量子可以具有这些值中的任何一个或者是0和1的量子叠加。 单个量子的状态可以用单位范数的二维列向量来描述,也就是说,其条目的幅度平方必须总和为1...

    量子比特

    正如比特是经典计算中信息的基本对象, 量子比特 (量子比特)是量子计算中信息的基本对象。 为了理解这种对应关系,我们来看一个最简单的例子:一个量子位。

    代表一个量子比特

    虽然一位或二进制数字可以具有01的值,但量子位可以具有这些值中的任何一个或者是01的量子叠加。 单个量子位的状态可以用单位范数的二维列向量来描述,也就是说,其条目的幅度平方必须总和为1 这个向量称为量子态矢量,它拥有描述一个量子位量子系统所需的所有信息,就像一个位包含描述二进制变量状态所需的所有信息一样。

    任何具有范数1的实数或复数的二维列向量表示量子位可能存在的量子态。 因此,如果  是满足,满足  表示量子位的有效量子状态向量的一些例子包括


    量子状态向量是一个特殊的角色。 这两个向量构成描述量子比特状态的向量空间的基础。 这意味着任何量子状态向量都可以写成这些基向量的和。 具体来说,可以将矢量 写为 虽然这些向量的任何旋转都可以作为量子位的完美有效基础,但我们选择通过将其称为计算基础来赋予这个向量特权。

    我们把这两个量子态对应于经典位的两个状态,即01 标准惯例是选择尽管也可以采取相反的选择。 因此,在无限数量的可能的单量子位量子状态向量中,只有两个对应于经典位状态; 所有其他量子态都不会。

    衡量一个量子比特

    现在我们知道如何表示一个量子位,我们可以通过讨论度量的概念来获得这些状态所代表的直觉。 测量对应于“查看”量子位的非正式想法,其立即将量子态坍塌到两个经典状态之一  当量子状态向量 给出的量子位被测量时,我们获得结果0,概率为,结果为1,概率为 在结果0上,量子位的新状态是 ; 对于结果1,其状态是  请注意,由于归一化条件,这些概率总和为1

    测量的性质也意味着量子状态向量的整体符号是不相关的。 否定矢量相当于 

    因为测量01的概率取决于术语的幅度平方,因此插入这些符号并不会改变概率。 这些阶段通常被称为“全球阶段”,通常可以是的形式,而不仅仅是 

    测量的最终重要属性是它不一定会损坏所有的量子状态向量。 如果我们从状态 开始,它对应于经典状态0,那么测量这个状态将总是产生结果0,并保持量子态不变。 在这个意义上,如果我们只有经典比特(即,量子比特是  ),那么测量不会损坏系统。 这意味着我们可以复制经典数据并在量子计算机上进行操作,就像在传统计算机上一样。 然而,将信息同时存储在两种状态中的能力是将量子计算提升到超越经典可能性的水平,并进一步使量子计算机不分青红皂白地拷贝量子数据的能力,也参见无克隆定理

    使用Bloch球体可视化Qubits和转换

    使用Bloch球体表示法,也可以在3D中绘制Bloch  布洛赫球给出了一种将单量子位量子态(这是一个二维复矢量)描述为三维实值向量的方法。 这很重要,因为它可以让我们对单量子比特状态进行可视化,从而开发推理,这对理解多量子比特状态(可惜布洛赫球体表示失效)非常重要。 Bloch球体可以如下显示:

    布洛赫球

    该图中的箭头显示量子状态向量指向的方向,并且箭头的每个变换可以被认为是关于其中一个主轴的旋转。 虽然将量子计算看作一系列旋转是一个强大的直觉,但使用这种直觉来设计和描述算法是一个挑战。 Q#通过提供描述这种旋转的语言来缓解这个问题。

    单一量子比特操作

    量子计算机通过应用可模拟量子状态向量的任何旋转的通用量子门来处理数据。 这种普遍性的概念类似于传统(即经典)计算的普遍性概念,其中如果可以使用有限长度的电路来执行输入比特的每个变换,则门集合被认为是通用的。

    在量子计算中,我们允许在量子位上执行的有效变换是幺正变换和测量。 伴随运算或复共轭转置对量子计算至关重要,因为它需要反转量子转换。 Q#通过提供自动将门序列编译为伴随的方法来反映这一点,这使得程序员无需在许多情况下手动编码伴随。

    在传统计算机上只有四种功能将一位映射到一位。 相比之下,量子计算机上的单个量子位上存在无限次的幺正变换。 因此,称为门的原始量子操作的有限集合可以精确地复制量子计算中允许的无限幺正变换集合。 这意味着,与经典计算不同,量子计算机不可能精确地使用有限数量的门来实现每个可能的量子程序。 因此量子计算机不能像传统计算机那样具有普遍性。 因此,当我们说一组门对于量子计算是普遍的时 ,我们实际上意味着比经典计算的意义稍弱一些。 对于通用性,我们要求量子计算机仅使用有限长度的门序列在有限误差内逼近每个酉矩阵。 换句话说,如果任何幺正变换可以近似写为该组中的门的乘积,那么一组门就是通用门组。 我们要求对于任何规定的误差界限,存在来自门集合的门G1G2 ...GN,例如


    请注意,由于矩阵乘法的约定是从右到左乘以该序列中的第一个门操作,GN实际上是应用于量子状态向量的最后一个操作。 更正式地说,如果对于每个容错 >0存在G1 ...GN这样的GN ...G1U之间的距离是最多  理想情况下,达到这个距离所需的N值应该以1/ 的多对数形式进行缩放。

    这种通用门套在实践中看起来如何? 最简单的这种用于单量子比特门的通用门设置仅由两个门组成:Hadamard H

    和所谓的T -gate(也称为 /8门):


    但是,由于与量子纠错有关的实际原因,考虑更大的门限设置可以更方便,即可以使用HT生成的门设置。 我们可以将量子门分为两类:克利福德门和T -gate。 这个细分是有用的,因为在许多量子纠错方案中,所谓的Clifford门很容易实现,也就是说,它们在操作和量子比特方面需要非常少的资源来容忍地实现故障,而非Clifford门需要相当昂贵容错。 Q#中默认包含的标准单量子比特克利福德门包括


    在这里操作XYZ被特别频繁地使用,在创建者Wolfgang Pauli之后被命名为Pauli操作员 与非克利福德门(T-gate)一起,这些操作可以被组合以近似任何单一量子位上的幺正变换。

    作为如何从这些原始图像构建酉变换的例子,上面Bloch球体中描绘的三个变换对应于门控序列 

    虽然以前构成了用于描述堆栈的逻辑层面上的操作的最流行的原始门(将逻辑层级看作量子算法的层次),但是例如在算法层面考虑较不基本的操作通常是方便的,例如操作更接近功能描述级别。 幸运的是,Q#还提供了用于实现更高级单元的方法,这反过来又允许实现高级算法,而无需将所有内容明确分解为Clifford和T-gates。

    最简单的这种基元是单个量子位旋转。 通常考虑三种单量子位旋转:RxRyRz 例如,想象一下旋转Rx的动作,想象一下沿着Bloch球体x轴的方向指向右手拇指,并用手旋转矢量,角度为 /2弧度。 这个令人困惑的因素是2,这是因为在布洛赫球上绘制的正交向量相差180美元,但实际上几何上相差90美元/圈。 相应的酉矩阵是:


    正如任何三个旋转可以组合在一起以执行三维的任意旋转一样,从布洛赫球表示可以看出,任何酉矩阵也可以被写为三个旋转的序列。 具体而言,对于每个酉矩阵U,存在 ,使得 因此,RzH也形成一个通用门集,尽管它不是一个离散集,因为 可以取任何值。 出于这个原因,并且由于在量子模拟中的应用,这种连续的门对于量子计算是至关重要的,尤其是在量子算法设计水平。 最终,为了实现容错硬件实现,它们最终将被编译为非常接近这些旋转的离散门序列。

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  • 当时,IBM发布了包含5个量子比特的计算机。在短短18个月之后,IBM周五宣布,将发布包含20个量子比特的计算机。 IBM还宣布,该公司的研究人员已经成功开发了包含50个量子比特的原型产品。这是量子计算领域的下个里程...
    本文来自AI新媒体量子位(QbitAI)

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    IBM去年开始以云计算服务的形式提供量子计算能力。当时,IBM发布了包含5个量子比特的计算机。在短短18个月之后,IBM周五宣布,将发布包含20个量子比特的计算机。

    IBM还宣布,该公司的研究人员已经成功开发了包含50个量子比特的原型产品。这是量子计算领域的下个里程碑。不过目前尚不清楚,我们何时才能看到50个量子比特计算机的商用。

    IBM最初版本的量子计算机是免费提供的,目的是培育用户社区,指导用户如何使用这些机器去编程。根据本周五的公告,IBM的量子计算技术将开始商业变现。这款产品将在年底前面市。

    传统计算机可以用“开关”的状态来表达0和1,而量子计算机则可以同时处于多种状态。这就给编程带来了全新的可能性,而这种计算方式也需要搭配新的软件和系统。

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    IBM Q和人工智能研究副总裁Dario Gil表示,量子比特数量的提升只是问题的一部分。处理的量子比特越多,量子比特之间的互作用就越复杂,因为这些量子比特会通过所谓的“纠缠”来相互作用。如果有更多的量子比特相互作用,但错误率随之上升,那么这样的量子计算机并不会比5个量子比特的计算机强大很多。

    他表示,IBM研究员已经实现了多个量子比特的低错误率。“凭借更多的量子比特和更少的错误,我们可以解决更多的问题。”

    与量子态有关的另一个问题是,在所谓的“相干性”过程中,这些量子态的存在时间很短。这意味着,在量子比特回归至经典计算状态之前,你只有很短的时间窗口去使用它。在90年代末研究人员刚刚开始关注这个问题时,相干性的持续时间只能以纳秒计算。即使到去年,5个量子比特计算机的相干性时间也只有47到50微秒。今天的量子计算机大约能实现90微秒的相干性时间。尽管时间仍然极为短暂,但已经是巨大的进步。

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    所有这些问题导致程序员很难开发量子算法,在量子比特回归至经典状态之前提供有用的功能,同时避免错误。不过最近几年,研究人员已经取得了相当的进展,而IBM此次公布的消息对于量子计算行业意义重大。

    量子计算的最终目标是建立有容错性的通用系统,能自动修正错误,并有着无限长时间的相干性。Gil表示:“终极目标是有容错性的通用量子计算。今天,我们正在开发接近通用的系统,这意味着可以执行任意的操作和程序。所谓的近似是指,对于需要的操作,我们必须接受错误和有限的时间窗口。”

    他认为,这是个逐渐进步的过程,而IBM的最新进展是沿着这条道路向前发展的一步。不过他也指出,今天取得的成果已经相当强大。凭借今天发布的新产品,以及对QISKit(帮助企业了解如何使用量子计算机编程的SDK)的优化,IBM可以继续推进这项技术。这个目标无法一蹴而就,但企业、政府、大学和其他利益相关方正在研究如何将技术应用于实际。当然,IBM也不是唯一一家致力于解决这个问题的公司。

    IBM认为,随着技术进步,以及行业对技术的进一步理解,量子计算可以应用于医学、药物发现和材料科学等领域。不过,量子计算也可能造成负面后果,比如实现对各种加密的破解。Gil透露,IBM正在与标准机构合作,尝试开发“后量子计算时代”的加密算法。虽然距离实现这一目标还有很远,但IBM确实看到了问题的严重性,并尝试进行解决。

    本文作者:维金
    原文发布时间:2017-11-11
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  • Q_01_05 多个量子比特

    千次阅读 2018-05-06 19:52:40
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  • 研究了德西特空间中与标量场耦合的同位量子比特的时间演化,重点是对后期行为的可靠提取。 如果将有效质量选择为足够接近零,则会观察到临界减速现象,这会缩小有效马尔可夫近似有效的参数空间的窗口。 在这种情况下...

空空如也

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量子比特位