量子纠缠的艺术家演绎。(美国国家科学基金会，尼科尔·r·富勒图片)
作为联邦政府的努力,量子计算机的发展速度,美国国家科学基金会(NSF)授予加州大学伯克利分校,在五年内花费2500万美元建立一个拥有多个大学的研究所致力于推进量子科学与工程和培训未来的劳动力建造和使用量子计算机。
加州大学伯克利分校领导的中心是美国国家科学基金会今天(7月21日星期二)宣布的三个量子跳跃挑战研究所(QLCI)之一，投资7500万美元。这些计划是《2018年国家量子计划法案》、白宫未来产业计划和国家科学基金会正在进行的量子跃进计划的核心部分。
现在和未来的QLCI量子计算连接加州大学伯克利分校,加州大学洛杉矶分校,加州大学圣芭芭拉分校和其他五个大学在全国范围,利用大量的实验和理论量子科学家改善和确定如何最好地利用今天的基本的量子计算机,其中大部分是由私人企业或政府实验室。最终的目标是让量子计算机像我们口袋里的数字计算机——手机一样普遍。
加州大学伯克利分校物理学教授、该研究所所长丹•斯坦普-库恩(Dan Stamper-Kurn)表示:“有一种感觉，我们正处在迈向量子计算的真正重大进展的边缘。”“我们认为，量子计算机的发展将是一场真正的科学革命，是当前决定性的科学挑战，尤其是考虑到计算机在社会所做的几乎所有事情中都扮演着核心角色。如果你有机会彻底改变电脑的本质，那么你就应该彻底改变其他一切。”
他说，该中心位于今天计算机工业的中心硅谷附近，位于加州主要大学和国家实验室，“该中心使加州成为量子计算研究的世界中心。”
量子计算机与我们手机、笔记本电脑、汽车和家用电器中的数字计算机有着本质上的不同。你可以把数字计算机想象成由数百万位独立比特(1或0)组成的集合，这些比特每十亿分之一秒就会根据称为算法的一系列指令来回翻转。问题越难，指令列表就越长。
在量子计算机中，每一位都与其他位相连接——量子纠缠——因此，即使是100个量子位的状态描述，也比最大的经典数字计算机所能存储的要大得多。
加州大学伯克利分校计算机科学教授、该研究所联合主任Umesh Vazirani表示:“将量子计算机的这种非凡能力转化为实际解决计算问题非常具有挑战性，需要一种全新的算法思维方式。”设计有效的量子算法是实现量子计算机巨大潜力的关键挑战。
IBM’s量子计算机，名为q。
理论研究表明，量子计算机是完成一些重要任务的最佳方式:分解大量数据、加密或解密数据、搜索数据库或寻找问题的最佳解决方案。使用量子力学原理来处理信息，大大加快了在当前数字计算机上解决许多计算问题所需的时间。
加州大学洛杉矶分校(UCLA)物理学教授、新研究所的联合主任埃里克•哈德逊(Eric Hudson)表示:“在一台标准计算机上解决需要宇宙年龄的科学问题，在量子计算机上可能只需几分钟。”“我们可能有能力在量子计算机上设计新的药物来对抗疾病，而不是在实验室里。学习分子的结构和设计有效的药物，每个都有数千个原子，本质上是量子的挑战。量子计算机有可能计算分子的结构以及分子如何反应和行为。”
“我认为量子计算是不可避免的，”Stamper-Kurn补充道。“我不知道时间尺度，是100年还是10年?——但我们谈论的是能力的指数级增长。”
扩展的问题
目前，量子计算机通常只耦合在区区50个或更少的量子位上。但Stamper-Kurn说，这是一个相当了不起的成就，因为它在过去10年里发展迅速，而且已经催生了一个新生的量子计算机产业。鉴于这些进步，科学家和联邦政府预计，如果政府投资于基础研究和教育，以补充谷歌、微软(Microsoft Corp.)、英特尔(Intel)和IBM等公司所取得的技术进步，则会取得更快的进展。
Google’s Sycamore芯片是一台量子计算机，它被保存在他们的量子低温恒温器中。(图片由Eric Lucero/谷歌，Inc.提供)
新研究所还包括南加州大学、加州理工学院、得克萨斯大学奥斯汀分校、麻省理工学院和华盛顿大学西雅图分校，它将解决该领域的一些主要挑战。
美国国家科学基金会的项目主任亨利·沃彻尔说:“我们知道量子计算机已经在路上了——全国各地的研究人员正在建造和测试它们。”“但是任何一个有电脑的人都会告诉你，没有软件在硬件上运行，硬件就没有用处。这个中心将引领我们找到解决方案。”美国国家科学基金会(NSF)针对当前和未来量子计算的量子飞跃挑战研究所(Quantum Leap Challenge Institute)将帮助我们在量子计算硬件就位时，将关键的编程元素就位。”
该研究所面临的第一个挑战是确定当前量子计算机最适合的应用，以便充分利用今天的第一代计算机。
“人们谈论噪音中等规模的量子计算机，或NISQ设备，这是我们目前拥有的。它们能做的非常有限，最重要的是，它们不知道如何纠正计算过程中出现的错误。”“它们将用于短期或小规模的计算，但关键是我们找到有效使用它们的方法，因为这将刺激整个领域。”
该研究所还将解决为下一代量子计算机开发算法的长期挑战，这些算法将使关键的科学、经济和社会进步成为可能，并在量子和经典计算能力之间划定界限。
Vazirani说:“要实现量子计算的全部能力，需要开发有效的方案来修正量子机器运行过程中的错误，以及测试和基准测试的协议。”
中间有离子阱的真空室。在这种情况下，钙离子通过电场保持在离表面100微米的位置。从顶部观察离子。(加州大学伯克利分校哈特穆特·哈夫纳提供的照片)
理解量子计算机的计算能力是该领域最重要的挑战之一，并将是向前发展的重要驱动力。这将需要大量增加从事这些问题的计算机科学家的数量。
“加州大学伯克利分校西蒙斯计算理论研究所(Simons Institute for the Theory of Computing at UC Berkeley)的量子计算研究工作负责人瓦兹拉尼(Vazirani)说，该研究所为实现这一目标做好了独特的准备。“西蒙斯研究所是计算基础的麦加，将会有大量的量子计算研究人员，促进这种密集的、面对面的、跨学科的合作，从而带来快速的发展。”
与加州大学洛杉矶分校纯数学和应用数学研究所的合作也很关键，这将帮助将数学和数据科学工具应用到该领域。
这项挑战的规模还需要来自科学和数学/计算学科的领域专业知识的输入，以使量子算法设计能够针对特定问题进行定制。
“量子算法设计进入一个合作设计的时代,特定的科学和计算约束和潜在需要保护脆弱的量子相干量子算法用于生成一个有效的解决一个特定的科学问题,”贝惠利说,加州大学伯克利分校的化学教授和研究所的主任。“我们知道如何在小型系统上做到这一点，但扩大到大型量子机器的实施带来了新的挑战。这是我们将在新研究所解决的问题。”
来自化学、物理、材料科学、工程、数学和计算机科学领域的实验家和理论家将解决其中一些突出的问题——特别是，如何在不失去量子位元集合的量子特性的情况下，将计算机从数千万个量子位元扩展到数百万个量子位元。
“最大的问题是:如何让一个量子系统越来越大，而不让它的性能越来越差?””Stamper-Kurn说。“人们看到的是，随着电脑变得越来越大，会有更多的噪音侵入，校准变得更加困难，连接变得困难——很难让电脑的一部分与另一部分对话。”
该小组计划专注于使用不同量子系统作为量子位元的三个实验平台:被捕获的离子、被捕获的原子和超导电路。
“其中一些系统在少量量子位上工作得很好，所以我们可以努力提高它们的保真度，让它们更精确。有些自然在大量的量子位元下工作，我们可以测试如何在有限的控制范围内操作量子计算机的想法，但有大量的量子位元可以使用，”Stamper-Kurn说。“它们都处于技术发展的早期阶段，所以通过在工程师的帮助下引入一些新技术，我们可以提高同时操作多个系统的能力。”
氩气等离子体放电用于清除离子陷阱，以便在量子信息传输过程中实现更好的相干性。捕获离子是可扩展的量子处理设备中最先进的候选者之一。(加州大学伯克利分校哈特穆特·哈夫纳提供的照片)
在奖学金、会议和研讨会的帮助下，这笔资金将促进来自多个领域的研究人员和博士生之间的互动。但其中一个主要部分将是培训未来的劳动力，就像加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和斯坦福大学(Stanford)等大学的计算机科学培训推动硅谷崛起成为科技巨头一样。加州大学洛杉矶分校(UCLA)将在量子科学与技术领域试点一个硕士学位项目，以培养一支量子智能劳动力，而大规模的在线课程(mooc)将有助于传播量子计算机的知识和理解，甚至对高中生也有帮助。
该团队希望与能源部实验室合作，如劳伦斯伯克利国家实验室，该实验室在2018年推出了一个先进的量子实验台，以进一步推进基于超导电路的量子计算。
该项目得以实现，在一定程度上要归功于加州大学的一个联盟——加州量子纠缠研究所，该研究所由加州大学的多院系研究计划和倡议(MRPI)资助。
加州大学负责研究和创新的副校长Theresa Maldonado说:“该奖项认可了该团队的愿景，即计算量子科学的进步如何能够揭示对现象的新基本理解，从而使人工智能、医学、工程等领域的创新受益。”“我们很自豪能领导全国让来自不同背景的优秀学生进入这一研究领域。”
该研究所的联合主任是加州大学洛杉矶分校的埃里克·哈德森;他是伯克利量子信息学院的副主任。计算中心(QBIC);他是Roger A. Strauch电子工程和计算机科学教授，也是伯克利量子信息与安培大学的联合主任。计算中心(QBIC);还有加州大学伯克利分校副教授哈特穆特·哈夫纳(Hartmut Haffner)，物理学教授迈克·吉尔吉(Mike Gyorgy)。
今天宣布的另外两个耗资2500万美元的量子跳跃挑战研究机构集中在科罗拉多大学博尔德分校和伊利诺伊大学香槟分校，分别专注于量子传感和量子网络。
相关信息
- 链接到NSF公告
- 加州大学洛杉矶分校的声明
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.berkeley.edu/2020/07/21/uc-berkeley-to-lead-25-million-quantum-computing-center/