美、德采用新的证明方法验证量子计算机在某些领域比传统计算机更有优势

【据gizmodo网站2018年10月18日报道】企业家和物理学家正在研究一种基于亚原子粒子物理学的新型计算机，这项研究有望彻底改变各个领域。据推测，这样的量子计算机应该比我们已经使用的传统计算机具有一些优势，对吧？麻烦的是，目前还不清楚量子计算机比常规计算机可以更好地完成哪些任务。

今天，IBM和德国慕尼黑技术大学发表了一篇论文，证明了近期量子计算机比传统计算机拥有的真正优势。该证明对量子计算机和传统计算机的能力都有严格的限制，并且还没有展示出之前长期炒作和寻求的“量子至上”。但是它为证明这些新生的量子处理器终有一天会火爆起来奠定了基础。

这是通常关于量子的高谈阔论：现在的传统计算机是把每个问题都翻译成二进制代码的长字符串，用0和1来表示。新型计算机在一些方面具有一些优势，例如分解非常大的数字，建模分子或人工智能，我们可以为之做出一些努力。量子计算机的量子比特或量子位以全新的方式进行通信。在计算过程中，量子位可以取0到1之间的值，并且以一般计算机位不能实现的方式进行交互。量子处理器仍然总是返回二进制字符串，也就是0和1，除了每个量子位的最终值具有一个固有的概率，这是基于在程序测量量子位之前的值与零的接近程度。 量子位也可以纠缠，其中概率同时适用于两个或更多量子比特值的组合。

包括IBM和Rigetti在内的公司里，目前有几种量子计算机以基本形式存在，它们通常具有20或更少的量子比特。随着他们开始构建这些设备，物理学家和计算机科学家正在开发量子算法，他们希望能够比传统计算机更好地解决问题。但是，对于那些尚未涉及的问题，总有可能存在一些更好的传统计算机算法，在这种情况下，为什么还要为量子机器而烦恼呢？这就是为什么科学家们已经在着手寻找量子计算机可能提供加速领域证据的原因了。

IBM研究院IBM Q战略和生态系统副总裁Bob Sutor告诉Gizmodo，“量子计算机可能看起来更快，但你想要有严格的数学证明。”

IBM科学家去年设计的、但发表在《今日科学》杂志上的证据表明，有限的量子计算机在解决简单的线性代数问题上，总能击败传统计算机，前提是传统计算机具有与量子计算机相同的限制。

这些限制与今天的量子计算机所面临的限制相同，并被称为“浅量子电路”。计算机科学家将单个位单元交互称为“逻辑门”。这些门基于一个或多个位返回一个值。相反，量子门将量子位的值移动到0或1之间的其他位置，或者更改纠缠的量子比特对的内置统计量。“电路”是一系列门。“浅量子电路”是每个量子位只能在变为0或再次变为0之前执行有限数量的门，并且那些门最多只能涉及另一个量子位。如果两个门同时出现在处理器上不相关的量子比特对上，那就没问题了。

他们不是将一般的量子计算机与一般的传统计算机进行比较，只是给了传统计算机相同的限制。IBM研究员谢尔盖布拉维解释道：“我们只是问一个不同的问题，比较浅量子电路和浅层传统电路。”

如果你从这篇文章中得到任何东西，就是这样：一篇新论文建立了一个特定的场景，在这个场景中，量子计算机（让我们把它想象成一个特别聪明的孩子）总是在对抗传统计算机（让我们把它想象成为一个成年的马拉松选手）的过程中赢得胜利，不论是多长距离的比赛。孩子的狡猾代表了量子计算机的量子行为能力；这就像在比赛路线上找到快捷方式一样。但根据比赛规则，马拉松运动员必须始终采取与孩子相同的步幅。

所以，虽然有很多警告，但这仍然是一个重要的里程碑。

马里兰大学的计算机科学家Andrew Childs告诉Gizmodo：“能够告诉我们量子计算机和传统计算机之间关系的清晰陈述，真是太好了。我们必须从某个地方开始，并且当我们以前没有看到类似的东西时，在理论上的进步就是朝着正确方向迈出一步。”

Bravyi说：“重要的是科学家们仍然利用全功能经典计算机验证量子计算机是否能够取得正确的结果。”这与谷歌的量子至上实验不同，后者是一个设计问题，量子计算机可以比模拟量子计算机的传统计算机以指数级增快的速度解决问题。

麻省理工学院理论物理学教授Aram Harrow告诉Gizmodo：“此外，大多数先前描述的量子计算机承诺在没有浅电路限制的情况下击败经典计算机的情况（例如Shor算法，这会影响数字），仍然需要对传统计算机可能做什么进行一些整体假设。”换言之，你可能会认为，没有实际证明，马拉松运动员不能超越猎豹。本文不需要这样的假设。

但新论文并不完美。Harrow 说，“这不是一个实际问题，没有人建议将其与实际问题联系起来。即使是这样，加速也会太小而无法在实践中应用。如果量子计算机只比相同大小的经典计算机快一点，那么量子计算机难以构建的事实将使我们选择经典算法。”

IBM和其他一些人正在推动构建量子计算机，Sutor告诉Gizmodo，他希望在接下来的一周左右的时间内在现有IBM量子处理器上实际执行其中一项测试。现在还有很长的路要走，即使量子计算机的规模和承诺不断增长，物理学家们仍在为其潜在的数学基础铺设基石。

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