美国能源部(DOE)正加入到开发量子计算机的行列中来。量子计算机将利用量子力学来破解那些困扰传统计算机的问题。该计划的推出正值谷歌和其他公司竞相建立一个量子计算机，通过击败经典电脑测试问题来证明“量子至上(quantum supremacy)”。但是达到这个里程碑并不意味着实际的使用，而能源部新投入4000万美元的努力是为了刺激有用的量子计算算法在化学、材料科学、核物理和粒子物理方面的发展。
美国能源部54亿美元科学办公室($5.4 billion Office of Science【名称很奇葩】)的代理主任斯蒂芬·宾克利说“我们正在寻找能够推动科学发展的算法”。他在2017年11月29日的公开信中中敦促研究人员提交这类工作的建议。
马里兰大学的物理学家、量子计算初创公司IonQ的联合创始人克里斯托弗·门罗(Christopher Monroe)介绍，美国政府已经在量子计算上每年花费大约2.5亿美元，主要是通过陆军研究办公室。但是能源部的资金将主要用于国家实验室。门罗说，那里的研究人员可以在开发机器方面发挥主导作用。 “工业界不能这样做，因为他们没有人；而学术机构不能这么做，因为他们不制造东西。”
【这一段看不懂就跳过去】传统的计算机操作的比特可以设置为0或1，而量子计算机使用的量子比特，可以同时设置为0和1。一个量子比特可以是一个超导块，带电的编码为1，不带电的编码为0，或者同时带电和不带电。被囚禁的离子，带的自旋可以同时朝向相反方向，也可以作为量子比特。有了这种状态的叠加性，只有300个量子比特可以生成的编码数量就超过了宇宙中所有原子的总数。
【这一段看不懂就跳过去】然而，量子计算机解决问题的方式是它们的力量和局限所在。问题可以被编码，这样，潜在的解决方案对应于通过量子比特晃动的不同量子波。把事情设置好，这样量子波就会产生正确的干涉，错误的解决方案会在正确的解决方案出现时相互抵消。这就是量子计算机能够快速分解大量数据的方法，这可能使它能够破解当前的互联网加密协议。但是这种方法不能帮助每一个计算。
例如，量子计算机无法帮助分析像瑞士的大型强子对撞机这样的原子碰撞器产生的数十亿的单个粒子碰撞的记录，伊利诺斯州巴达维亚费米国家加速器实验室的计算物理学家James Amundson说。Amundson说，每一项记录都很容易分析，所以它们只需要通过一群并行工作的普通计算机就能完成。量子计算机不能加速这个过程。
量子计算机的工作清单
尽管如此，研究人员说，这些机器对某些问题仍有很大的希望，例如那些涉及建模或模拟固有量子力学过程的问题。例如，在化学中，一种叫做氮化酶的酶催化了一种化学反应，使固氮细菌能够将空气中的氮转化为植物可以使用的一种形式。加州伯克利的劳伦斯伯克利国家实验室的计算化学家Wibe de Jong说，传统的计算机不能精确计算出这个过程是如何工作的，但是量子计算机可以。他说:“由于计算的复杂性，许多催化过程仍然很难建模。”
量子计算机还可以帮助设计由原子直接组装的材料。它们可以帮助预测中子星上的超密度物质是如何运动的，或者质子在粒子碰撞过程中是如何破裂的。这些应用都涉及到描述亚原子粒子的量子波的相互作用。位于西雅图的华盛顿大学的核理论学家马丁·萨维奇解释说，跟踪振荡波会使传统计算机陷入困境，但量子计算机能够自动处理这方面的计算。
研究人员才刚刚开始研究如何将这些问题映射到量子计算机的量子比特上。为了加快这一进程，美国能源部在2017年9月推出了两张试验台，让设计师和科学家们能够共同研究量子计算的方法。在伯克利实验室，物理学家Irfan Siddiqi和他的同事们致力于用超导量子比特来构建他们自己的64个量子比特量子计算机。Siddiqi说，来自用户的反馈包括量子比特就会在一个芯片上进行排列和连接，而这些意见将影响他们的设计。
相比之下，田纳西州橡树岭国家实验室的一个试验台将为IBM和IonQ的现有机器提供远程访问。橡树岭的量子信息科学家Raphael Pooser说，这种方法应该能激发出类似的“协同设计”，而不需要橡树岭研究人员从头开始建造一台机器。他说，这也更像是美国能源部与工业界合作开发超级计算机的方式。
与此同时，商用机器正变得越来越强大。本周，位于加州圣巴巴拉的谷歌实验室的研究人员开始测试一种他们认为将达到量子至上(quantum supremacy)的50-qubit芯片，尽管这项实验还需要几个月的时间。然而，一些研究人员担心，这样的演示可能会误导公众，认为科学家已经走到了开发一个有用的量子计算机的道路的尽头。“这甚至不是道路的开始，”西迪奇说。
领导谷歌项目的物理学家John Martinis说，谷歌“明白量子至上(quantum supremacy)是一个伟大的里程碑，它需要更长的时间，也许更长的时间，才能使某些东西变得实用。”能源部显然对此表示赞同。
电脑版
返回顶部