[涨姿势] 量子计算的历史:12 个关键时刻
作者:精品下载站 日期:2024-12-13 15:25:25 浏览:12 分类:涨姿势
量子计算的历史:12 个关键时刻
尽管量子计算是一个新兴领域,但在过去几十年里,随着科学家努力创造能够解决不可能问题的机器,有许多关键时刻定义了它。
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利用量子力学奇怪规则的计算机可能很快就会解决使用现有技术无法解决的问题。今天的机器距离实现这一目标还很远,但量子计算领域自诞生以来已经取得了巨大的进步。
在不到半个世纪的时间里,量子计算已经从一种学术好奇心发展成为一个价值数十亿美元的产业,并且没有任何停止的迹象。以下是这一旅程中 12 个最重要的里程碑。
1980:量子计算机诞生
到 20 世纪 70 年代,科学家们开始思考量子力学和信息论新领域之间的潜在交叉。但美国物理学家保罗·贝尼奥夫在发表第一份关于量子计算机的描述时,具体化了其中的许多想法。他提出了“图灵机”的量子版本——一种由英国著名计算机科学家艾伦·图灵设计的计算机理论模型,能够实现任何算法。通过证明这种设备可以使用量子力学方程来描述,贝尼奥夫为量子计算的新领域奠定了基础。
1981:理查德·费曼普及量子计算
贝尼奥夫和传奇物理学家理查德·费曼都在 1981 年第一届计算物理学会议上发表了有关量子计算的演讲。费曼的主题演讲就是围绕这个主题使用计算机来模拟物理。他指出,由于物理世界本质上是量子的,因此模拟它需要同样基于量子力学规则运行的计算机。他提出了“量子模拟器”的概念,它不能像图灵机那样实现任何程序,但可以用来模拟量子力学现象。这场演讲通常被认为激发了人们对量子计算作为一门学科的兴趣。
1985:“通用量子计算机”
计算机科学的基本概念之一是通用图灵机的思想。这是一种特殊的图灵机,由其同名者于 1936 年推出,可以模拟任何其他图灵机的行为,使其能够解决任何可计算的问题。然而,量子计算理论教授David Deutsch在1985年的一篇论文中指出,由于图灵描述的通用计算机依赖于经典物理,因此无法模拟量子计算机。他利用量子力学重新阐述了图灵的工作,设计了一种“通用量子计算机”,能够模拟任何物理过程。
1994:量子计算机的第一个杀手级用例
尽管量子计算机在理论上有希望,但研究人员尚未找到该技术明确的实际应用。美国数学家Peter Shor成为第一个这样做的人,他引入了一种可以有效分解大数的量子算法。因式分解是寻找可以组合成更大数字的最小一组数字的过程。对于更多的数字来说,这个过程变得越来越困难,并且是许多领先加密方案的基础。不过,肖尔的算法解决这些问题的速度比传统计算机快得多,这引发了人们对量子计算机可用于破解现代加密技术的担忧,并刺激了后量子密码学的发展。
1996 年:量子计算进入搜索领域
没过多久,另一个有前途的应用程序就出现了。贝尔实验室计算机科学家Lov Grover 提出一种用于非结构化搜索的量子算法,即在没有明显组织系统的数据库中查找信息。这就像大海捞针一样,是计算机科学中的一个常见问题,但即使是最好的经典搜索算法在面对大量数据时也会很慢。众所周知,格罗弗算法利用量子叠加现象来显着加快搜索过程。
1998:首次演示量子算法
在黑板上想象量子算法是一回事,但事实证明,在硬件上实际实现它们要困难得多。 1998 年,由 IBM 研究人员 Isaac Chuang 领导的团队取得了突破,他们表明可以在具有两个量子位(比特的量子等价物)的计算机上运行 Grover 的算法。仅仅三年后,庄还领导了在量子硬件上首次实现 Shor 算法,使用七量子位处理器对数字 15 进行因式分解。
1999年:超导量子计算机诞生
量子计算机的基本构建块(称为量子位)可以在各种不同的物理系统上实现。但在 1999 年,日本科技公司 NEC 的物理学家偶然发现了一种方法,该方法后来成为当今最流行的量子计算方法。在《自然》杂志的一篇论文中,他们表明可以使用超导电路来创建量子位,并且可以以电子方式控制这些量子位。超导量子位现在被许多领先的量子计算公司使用,包括谷歌和 IBM。
2011年:第一台商用量子计算机发布
尽管取得了相当大的进步,量子计算仍然主要是一门学科。 2011 年 5 月,加拿大 D-Wave 公司推出第一台商用量子计算机,预示着量子计算行业的开始。这家初创公司的 D-Wave One 采用 128 个超导量子位,成本约为 1000 万美元。然而,该设备并不是通用量子计算机。它使用一种称为量子退火的方法来解决特定类型的优化问题,并且几乎没有证据表明与经典方法相比它提供了任何速度提升。
2016 年:IBM 在云端推出量子计算机
虽然几家大型科技公司正在内部开发通用量子计算机,但大多数学者和有抱负的量子开发人员无法尝试该技术。 2016 年 5 月,IBM 首次在云端提供五量子位处理器,允许公司外部的人员在其硬件上运行量子计算作业。两周内,已有超过 17,000 人注册了该公司的 IBM Quantum Experience 服务,让许多人首次亲身体验了量子计算机。
2019:谷歌宣称“量子霸权”
尽管理论上承诺会大幅“加速”,但尚未有人证明量子处理器可以比经典计算机更快地解决问题。但在 2019 年 9 月,有消息称,谷歌使用 53 个量子比特在 200 秒内完成了一项计算,据称需要一台超级计算机大约 10,000 年才能完成。这个问题没有实际用途:谷歌的处理器只是执行随机操作,然后研究人员计算在经典计算机上模拟这一过程需要多长时间。但这一结果被誉为“量子霸权”的第一个例子,现在更常被称为“量子优势”。
2022:经典算法打破霸主地位
谷歌关于量子霸权的主张遭到了一些人的怀疑,尤其是来自主要竞争对手 IBM 的怀疑,该公司声称这种加速被夸大了。来自中国科学院和其他机构的一个研究小组最终证明了事实确实如此,他们设计了一种经典算法,可以在 512 个 GPU 芯片上在短短 15 小时内模拟 Google 的量子运算。他们声称,通过使用世界上最大的超级计算机之一,他们可以在几秒钟内完成这一任务。这一消息提醒人们,经典计算仍然有很大的改进空间,因此量子优势可能仍然是一个不断变化的目标。
2023 年:QuEra 打破逻辑量子位数量最多的记录
当今量子计算机的最大障碍之一是底层硬件非常容易出错。由于量子力学的怪癖,修复这些错误是很棘手的,而且人们很早就知道,需要许多物理量子位来创建所谓的“逻辑量子位”,这些量子位不会出现错误并能够可靠地执行操作。去年 12 月,哈佛大学研究人员与初创公司 QuEra 合作,一次性生成 48 个逻辑量子位,打破了记录——比之前任何人实现的数量多了 10 倍。该团队能够在这些逻辑量子位上运行算法,标志着容错量子计算之路上的一个重要里程碑。
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