读量子霸权05量子计算机种类

1. 竞赛

1.1. 能够有效发挥作用的计算机体系结构不止一种

1.2. 图灵机就是在可应用于广泛技术的一般原理基础上产生的

  • 1.2.1. 只要有管道和阀门,原则上就可以制造出一台数字计算机

  • 1.2.2. 其基本要素是形成一个可以携带一系列0和1的数字信息系统,以及处理这些信息的方法

1.3. 量子计算机也可以有多种可能的设计

  • 1.3.1. 任何能够将0和1的状态叠加并纠缠在一起,并能够完成这些信息相关处理工作的量子系统,都可以被称为量子计算机

  • 1.3.2. 自旋向上或向下的电子和离子,以及顺时针或逆时针旋转的偏振光子,都可以达到这个目的

  • 1.3.3. 由于量子理论支配着宇宙中的所有物质和能量,因此构建量子计算机可能有数千种方法

    • 1.3.3.1. 对量子计算机设计的选择可能会直接影响竞赛的最终结果

1.4. IBM发布了433量子位的Osprey量子处理器,并将于2023年部署1121量子位的Condor量子计算机

  • 1.4.1. 处于领先地位

1.5. 几乎每个有影响力的计算机公司都有了自己的量子计算机程序

1.6. 如何真正帮助人类解决现实世界中的实际问题,有些问题可能会彻底改变相关行业的发展轨迹

  • 1.6.1. 应用量子计算机来尝试实现科学和技术领域的重大突破

  • 1.6.2. 试图揭示生命起源背后的量子力学,从而进一步解开光合作用的奥秘,为地球提供食物,为人类社会提供新能源,并实现对当前被视为不治之症的疾病的治愈

2. 超导量子计算机

2.1. 目前,超导量子计算机已经为计算能力设定了标准

  • 2.1.1. 在2019年,谷歌拔得头筹,宣布其Sycamore超导量子计算机实现了量子霸权

2.2. 通过将温度降至绝对零度以上的几分之一度,电路变成量子力学的,即它们变得相干,因此电子的叠加不再受干扰

  • 2.2.1. 通过将各种电路连接在一起,可以将它们纠缠在一起,从而实现量子计算

2.3. 科学家通过“相干时间”来测量这种灵敏度,即原子在一起保持相干振动的时间长短

  • 2.3.1. 温度越低,原子在环境中的运动就越慢,相干振动时间就越长

  • 2.3.2. 将机器冷却到比外太空更低的温度可以最大限度地延长相干时间

2.4. 优势:它们可以使用数字计算机行业开创的现成技术

2.5. 缺点是,需要一系列精心设计的管道和泵来冷却机器

  • 2.5.1. 不仅增加了成本,而且增加了带来新的复杂性和错误的可能性

  • 2.5.2. 最轻微的振动或杂质都可能破坏电路的连贯性

  • 2.5.3. 甚至有人在附近打喷嚏也会破坏实验

2.6. 你不能完全相信量子计算机的结果,因为它可能会产生偏差

  • 2.6.1. 用一组量子位备份每个量子位,这会产生冗余并减少系统的错误

  • 2.6.2. 对于一台1000量子位的量子计算机来说,需要100万个量子位来产生冗余

3. 离子阱量子计算机

3.1. 霍尼韦尔就是这种模式的主要支持者之一

3.2. 当选取一个电中性的原子,剥离掉一些电子时,我们就会得到一个带正电的离子

  • 3.2.1. 一个离子可以悬浮在由一系列电场和磁场组成的阱之中,当引入多个离子之后,它们之间就会发生相干量子位振动

  • 3.2.2. 如果我们假设电子轴向上自旋,则状态为0;如果向下自旋,则为1

  • 3.2.3. 由于量子世界的奇特叠加效应,最终结果往往是两种状态的叠加混合

3.3. 在离子阱量子计算机中,离子保持在接近真空的状态,悬浮在复杂的电场和磁场阵列中,可以完成随机移动

  • 3.3.1. 相干时间可能比超导量子计算机长得多,而且离子阱量子计算机实际上可以在比竞争对手更高的温度下运行

3.4. 可扩展性(scaling)

  • 3.4.1. 扩展是相当困难的一件事

  • 3.4.2. 必须不断重新调整电场和磁场以保持相干性,这是一个相当复杂的过程

4. 光量子计算机

4.1. 光量子计算机首先以45度角向分束器发射激光束,分束器是一块精细抛光的玻璃

  • 4.1.1. 击中它后,激光束会一分为二,一半向前,另一半向侧面反射

  • 4.1.2. 这两个光束是相干的,彼此保持着一致的振动

4.2. 【东大】宣布实现了一个更大的突破,在200秒内完成了一次数字计算机需要用5亿年时间才能完成的计算

4.3. 【东大】的量子计算机不是用电子来完成计算的,而是用激光束来完成计算的

  • 4.3.1. 光可以在不同的方向振动,即在偏振态下振动

  • 4.3.2. 可以用在不同偏振方向上振动的光来表示数字0或1

  • 4.3.3. 【东大】的光量子计算机能够通过在100个通道中移动的76个纠缠光子完成相关计算

4.4. Xanadu开发的芯片是可编程的,其计算机可以在互联网上使用

4.5. 优点

  • 4.5.1. 电子与普通物质发生反应的程度相对更剧烈一些,因为它们是带电的(也因此更容易受到环境的干扰)​,但光子不带电,因此受到的环境干扰自然小得多

  • 4.5.2. 光束能够以最小的干扰直接穿过其他光束

  • 4.5.3. 光子也比电子快得多,光的传播速度是电信号的10倍

  • 4.5.4. 它在室温下就可以运行,这可能会成为其最终超过其他几种类型量子计算机的重要原因

    • 4.5.4.1. 不需要昂贵的泵和管道来将温度降至接近绝对零度,从而不会面临急剧增加的成本

    • 4.5.4.2. 光量子计算机在室温下工作,相干时间很短

    • 4.5.4.3. 激光束通常具有很高的能量,因此,与相干时间相比,计算完成的时间更快,从而让环境中的分子看起来就像是在做慢运动

      4.5.4.3.1. 减少了与环境交互时可能产生错误的概率

4.6. 缺点:它们是反射镜和分束器的笨拙集合,所以体积非常大

  • 4.6.1. 对于每一个计算任务,都需要人为将反射镜和分束器的复杂集合重新排列到不同的位置

  • 4.6.2. 它不是一台可以通过编程执行即时计算的通用机器

4.7. 从长远来看,较低的错误率和降低的成本这两大优势,将成为光量子计算机超过其他几款设计的核心优势

5. 硅光子计算机

5.1. 优势在于,它们可以使用半导体行业已有的成熟技术方法

5.2. 硅的双重性质

  • 5.2.1. 硅不仅可以用来制造晶体管,从而控制电子流

  • 5.2.2. 还可以用来传输光,因为它对某些频率的红外辐射是透明的

  • 5.2.3. 双重性质对纠缠光子至关重要

5.3. 卖点是它们可以解决纠错问题

  • 5.3.1. 由于与环境的相互作用,错误会渗透到任何计算中,因此需要通过创建冗余量子位在系统中构建冗余

  • 5.3.2. 如果有了100万个量子位,他们认为就足够控制误差,可以在计算机上进行真正的实际计算

6. 拓扑量子计算机

6.1. 微软的设计,它使用了拓扑处理器

6.2. 根据量子理论,除了离子阱和光子系统,还有另一种方法可以在室温下完成量子计算机的创建

  • 6.2.1. 如果一个系统能够始终保持一定的特殊拓扑性质,它就可以在室温下保持稳定

6.3. 绳子的拓扑结构(也就是形状,具体到绳子这个物体上表现的就是结)除了切割,任何操作都无法改变

6.4. 物理学家试图找到无论温度条件如何,都始终能够稳定保持系统拓扑结构的物理系统

  • 6.4.1. 如果找到,它将大大降低量子计算机的成本,提高量子计算机的稳定性

  • 6.4.2. 有了这样一个系统,相干量子位可以从这些拓扑配置中产生

6.5. 锑化铟纳米线

  • 6.5.1. 由许多组成物质经过一系列复杂相互作用而产生的,因此是“涌现的”​

6.6. 马约拉纳零能模(Majorana zero mode)粒子

  • 6.6.1. 一种神奇的材料,称其即使在室温下也能保持稳定

6.7. 任意子(anyons)

7. D-Wave量子计算机

7.1. 可以通过使用磁场和电场来操纵超导导线中的电流,直到达到最低能量状态,从而实现优化数据的目标

7.2. D-Wave量子计算机在优化这一领域表现出色

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