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竇猛漢:量子計(jì)算的未來研究方向與挑戰(zhàn)

本源量子 ? 2023-08-17 01:44 ? 次閱讀
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內(nèi)容來源:致未來 CTALK 微信公眾號

您能否和大家分享一下,如果量子計(jì)算進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用,還存在哪些挑戰(zhàn)?

我舉一個例子,Shor算法在破解RSA-1048密碼時,需要一個月時間才能破解,這要求量子計(jì)算機(jī)要有一個月的穩(wěn)定運(yùn)行時間。當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)的退相干時間只是微秒級別的,從這方面來說,量子計(jì)算機(jī)還有非常大的發(fā)展空間。

其次,如果想要運(yùn)行Shor算法等大數(shù)分解算法,量子計(jì)算機(jī)量子邏輯門操作保真度必須要非常高才行。當(dāng)前最高的量子計(jì)算機(jī)邏輯門保真度也只是到99%或者99.9%的程度。類比于經(jīng)典計(jì)算,每個邏輯門的操作實(shí)際是要非常精確的,如果量子邏輯門保真度不高會影響最后的輸出結(jié)果。所以,在量子邏輯門保真度方面也需要進(jìn)行更多提升。在今年2月份,Google已經(jīng)在《Nature》上發(fā)表了一篇量子糾錯的論文,它可以證明可以通過不斷增加量子比特降低量子比特錯誤率,從而提高量子邏輯門保真度。

在可預(yù)見的未來,容錯的量子計(jì)算是可以被實(shí)現(xiàn)的。但達(dá)到基本條件后,還需要考慮的一個問題,即經(jīng)典數(shù)據(jù)到量子數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換問題。做經(jīng)典計(jì)算的人都知道,從CPUGPU的數(shù)據(jù)是傳輸轉(zhuǎn)換的過程,同理,量子計(jì)算也需要從經(jīng)典到量子的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程,這就需要量子隨機(jī)存儲器這樣一個硬件用來保存經(jīng)典數(shù)據(jù)并通過量子操作去查詢經(jīng)典數(shù)據(jù),達(dá)到經(jīng)典數(shù)據(jù)到量子數(shù)據(jù)降低復(fù)雜度的效果,這也是一個關(guān)鍵點(diǎn)。

量子計(jì)算的硬件發(fā)展,還有哪些需要克服的困難?

現(xiàn)在量子計(jì)算機(jī)分為很多技術(shù)方案,比如超導(dǎo)、半導(dǎo)體量子點(diǎn)、光量子,離子阱等,這些方案都有自己的技術(shù)優(yōu)勢和技術(shù)缺點(diǎn),比如超導(dǎo)的優(yōu)勢在于它可以實(shí)現(xiàn)二能級的量子比特操作,也可以實(shí)現(xiàn)多能級的量子比特操作。但它的缺點(diǎn)在于,需要的溫度特別低,接近絕對零度,這對技術(shù)環(huán)境要求非常高。以離子阱為例,它的優(yōu)勢在于它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以把所有量子比特全部連接在一起,形成全連接的網(wǎng)絡(luò),這樣它的量子邏輯門的操作和算法實(shí)現(xiàn)的會更容易。它的缺點(diǎn)在于:一是擴(kuò)展性不是很好;二是量子邏輯門的操作時間也是比較慢的,舉例來說,超導(dǎo)量子單邏輯門的時間是納秒級別的,離子阱有可能是微秒級別的一個操作時間。從這個方面來看,離子阱也是有它的優(yōu)勢和劣勢。

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