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谷歌对AI研究所进行了量子计算并大公开,分享了未来十年的路线图

来源:河洛网    发布时间:2021-10-11     发布人:洛阳新闻网

Erik Lucero博士

谷歌对AI研究所进行了量子计算并大公开,分享了未来十年的路线图

最近,谷歌量子AI首席工程师Erik Lucero提出了全球媒体虚拟“ 参观” 介绍了谷歌的量子AI校园,展示了校园内一些重要的实验设备,分享了目前谷歌在量子计算方面的最新进展和一些重要的洞察。

谷歌量子AI园区位于Santa Barbara,谷歌在这里研究和制造量子计算机。 整个小区的装修风格独特,有很强的色彩感。 小区里有很多涂鸦,有很多有趣的装饰。 Erik介绍了一幅以校园里的谷歌量子处理器Bristlecone命名的画,让我想起了仿生学的重要性( Bristlecone芯片的量子位排列就像松果鳞片一样)。 另外,Erik还展示了主实验室的情况,说明了量子计算的原理和为量子计算创造低温环境的设备。

谷歌量子AI小区内的涂鸦

谷歌量子AI小区内的涂鸦

作为回答问题的一部分,Erik表示谷歌目前正在“ 量子优势” 下一个目标是实现可纠错的逻辑量子比特,最终实现可规模化的纠错量子计算机,预计在未来十年内完成。 关于量子计算的具体应用,Erik表示,目前量子计算还没有用于解决实际问题,但将来有可能解决气候变化和食物短缺的问题。

Erik将展示校园主实验室的设备

Erik将展示校园主实验室的设备

以下是这次活动问答环节的精选内容。

q :能说明一下什么是逻辑量子比特吗?

逻辑量化比特由足够多的高质量物理量化比特构成,可以抽象地认为1000个物理量化比特排列在二维网格中执行纠错。 目前,格子状的布局和物理量子比特的忠实度都是最适合我们的框架。 我们连接所有的电子和物理量子位需要非常充分和精细的控制。

当两个逻辑量子位组合在一起并且可以在它们之间进行操作时,这两个逻辑量子位构成了第一个晶体管。

能更详细地告诉我谷歌量子计算的蓝图吗? 面对量子计算和人工智能时代的崛起,企业应该做哪些准备以满足时代的需要?

我们的第一个里程碑是“ 量子优势” ,我们在2019年证明了量子计算具有超越传统超级计算的能力。 从此,我们扩大了系统的规模,证明了实际上可以进行纠错演示,也证明了纠错是有效的。 这是第二个里程碑。

我们已经在这方面迈出了一步。 今年早些时候我们发表了一篇论文,展示了量子纠错方面的进展。 我认为这可以说是里程碑1.5。

第三个里程碑是实现纠错逻辑量子位。 证明了量子纠错后,证明将其扩展到足够大的系统中以大规模构建纠错逻辑量子比特是可能的。

第四个里程碑是将由1000个物理量子位构成的两个逻辑量子位排列起来构成量子晶体管。

第五个里程碑是采用这个系统,扩展到100,000个物理量子位。

第六个里程碑是形成完整的纠错逻辑量子位。

我们现在处于硬件的黄金时代,必须发明真正有助于系统扩展的硬件,为将来做准备。

我们相信本世纪末能实现这种纠错的量子计算机。 我们为这些里程碑制定了约10年的路线图。

谷歌量子计算也在使用开放标准和开源技术吗? 你的工作是基于开放标准还是开源的?

是的,我们有丰富的开源产品,谷歌也非常支持这种文化。 我们开发了一种叫做Cirq的语言。 任何人都可以下载,使用Cirq编程,设计量子电路以在模拟器和量子硬件上工作。

此外,库中还有丰富而重要的内容。 其中之一是OpenFermion,与量子化学的内容有关。 二是建立在谷歌经典计算硬件上的量子TensorFlow。 我们的张量处理器( TPU )在这个系统上运行,处理量子模拟和机器学习等问题。

所以硬件以外的技术基本上是开源的。 我很高兴能加入开源联盟,定义这些开放标准。 我们已经效仿了其他谷歌的开源项目(例如TensorFlow )。

谷歌量子计算机仍然主要由硅制造吗?

制造量子计算机时,我们会选择使用已经成熟的硅材料,当然,我们会把铝放在硅上。 我认为现阶段探索量子结构可能更重要,其中最有力的实例是超导量子比特。

问:在计算处理方面,谷歌计划将量子计算与人工智能的优势结合起来吗? 量子计算与超高性能人工智能相比有什么不同?

首先,我想说明经典计算范式和量子计算范式的区别。 今天,我们真正高性能的经典计算都是同一种,其实就像算盘做布尔逻辑一样。 量子计算机实际上把布尔逻辑替换为更丰富的计算空间(量子力学),使得能够搜索经典计算机中可能没有的计算空间。 所以,量子计算机和经典计算机完全不同。

我最喜欢思考云,计算机和量子计算机的共生关系,以及我们可以利用这种共生关系做什么。 在我们的小区里,我们可以看到许多经典计算机支持和运行我们的量子计算机。 我相信机器学习的一些要素可以由量子计算机实际接管,首先从经典计算转移到量子计算。 而且,量子计算机在把这些新发现放回经典计算机之前,也许能更快地学习或发现新技术。 所以我觉得这真的是共生关系,并不是必须选一个,可以一起工作。

问:除了量子纠错外,实际实现量子计算还有哪些重大挑战? 量子计算能解决普通人实际生活中的什么问题?

纠错真的是实现量子计算机的最大挑战之一。 因为经典计算机实现的惊人功能基本上是通过经典计算实现纠错的。

所以,我们下一个里程碑是实际证明量子纠错是可能的,用少量的量子位或100个量子位实现。 量子纠错得到证明后,可以将其扩展为逻辑量子位,从逻辑量子位扩展为纠错量子计算机前的量子计算机。 因此,我们今天面临的巨大挑战是证明量子纠错在任何量子计算架构中都是有效的。 目前为止,没有人证明那个。 我们很高兴能在这里分享我们的里程碑。

量子计算能解决普通人实际生活中的哪些问题? 我喜欢在谷歌工作是因为我们有机会给世界带来强大的工具。 我知道无论是登录互联网还是搜索,总有一天会得到量子计算机的支持。

另外,量子计算机的直接应用是帮助解决全世界的饥饿问题。 现在,我们把大量的氮用作肥料。 我相信如果真的有量子计算机,模拟自然生产氮气的更好方法会被计算出来,可以以更低的能源成本养活世界上的所有人。

问:低温环境是否只与谷歌研究的超导量子比特有关?

我们知道在低温环境下进行研究有几个理由。 其中之一是因为使用的是超导量子位点,所以需要确保比所使用的金属和材料的临界温度低的温度。 只有这样才能达到超导,从而受益。 另一个是量子比特的实际能量非常重要的因素。 我认为我们设计的特定量子比特,就像制造原子一样。 我们通过实际构筑物理结构来制造原子。 这些结构是用超导电路制作的电感器和电容器。 然后铺设铝金属,成型为电感器和电容器。 这实际上是谐振器。

这些系统的能量转换为温度,最终变成数百毫米开尔文。 因此,如果我们能够实现比该温度更冷的温度,量子比特中的能量就是最大的信号而不是热噪声。 所以我们为了超导必须降低温度,只有变冷才能使量子信号远远高于热噪声。

我们也在考虑用第一台量子计算机建造第二台。 我相信用超导量子比特可以实现第一台量子计算机。 我们预计十年内完成。 第一台量子计算机实现后,它会帮助我们找到更好的材料并加以使用。 制造第二台量子计算机可能不需要低温冷却器。

问:量子计算机的工作温度就像超市、超级冷一样。 你和其他科学家是怎么实验那个的? 必须掌握特殊设备吗?

给你看实验室的这些罐子。 这些是低温恒温器里的一个罐子。 我们做的就是把所有这些罐子放在系统上,一个一个放好。 这个颜色非常鲜艳的真品空罐是系统上的最后一个罐,可以看到上部有o形圈。

之后,将该系统连接到低温恒温器上。 然后排出里面的空气体,这些系统内部就会变成真空。 使用空冰箱中的所有管道冷却整个腔室。 唯一连接的是所有这些金属台,它们用专用冰箱冷却。 所以多亏了这些技术,我有幸拥有了这300开尔文(约27°; 在c )的实验中,不用担心自己会结冰。

能解释一下谷歌量子计算机最近的时间晶体相关的突破吗? 据媒体报道,这一突破使科学家们得以摆脱热力学第二定律。

像金属一样,晶体以固体存在,在物理的3维空之间。 从空之间来看,晶体中的原子自行排列,具有一定的周期性。 晶体结构中的原子以特定的晶格形式排列,有多种方法。

我们最新的研究证明了在时间层面上这也是可以实现的。 通过相互作用,每隔一段时间,晶体结构都会保持分子集合的完整性,按不同的规律工作。 时间晶体不消耗任何能量,只是在不同的状态之间变化,呈现周期性。

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