DAOrayaki |bounty |What Makes Quantum Computing So Hard to Explain? #260
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skyh#4923 will do this bounty! |
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你可能听说过，[量子计算机是神奇的超级机器，通过在不同的平行宇宙中尝试所有可能的答案，很快就能治愈癌症和全球变暖。]和其他地方，我一直在抨击这种卡通化的愿景，试图解释我所看到的更微妙但具有讽刺意味的是更迷人的事实。我将其视为一项公共服务，几乎是我作为量子计算研究员的道德责任。唉，这项工作给人一种西西弗斯式的感觉：多年来，随着企业和政府投资数十亿美元，以及随着技术发展到可编程 50 量子比特设备（在某些人为的基准上）确实可以提供世界上最大的超级计算机[为他们的钱而奔波]。就像在加密货币、机器学习和其他时尚领域一样，有钱的小贩也来了。 不过，在反思的时刻，我明白了。现实情况是，即使你消除了所有不良激励和贪婪，如果没有数学，量子计算仍然很难简单而诚实地解释。正如量子计算先驱理查德·费曼 (Richard Feynman) 曾经谈到让他获得诺贝尔奖的量子电动力学工作一样，如果可以用几句话来描述它，那将不值得获得诺贝尔奖。 并不是说这阻止了人们尝试。自从 Peter Shor 在 1994 年发现量子计算机可以破解保护互联网交易的大部分加密技术以来，人们对这项技术的兴奋不仅仅是出于求知欲。事实上，该领域的发展通常被作为商业或技术故事而不是科学故事来报道。 如果商业或技术记者能够如实告诉读者，那很好，“看，引擎盖下有所有这些深量子的东西，但你需要了解的是底线：物理学家即将建造更快的计算机，这将彻底改变一切。” 问题是量子计算机不会彻底改变一切。 是的，他们有朝一日可能会在几分钟内解决一些特定问题（我们认为）这些问题需要比经典计算机上的宇宙年龄更长的时间。但对于许多其他重要问题，大多数专家认为量子计算机只能提供适度的帮助，如果有的话。此外，虽然谷歌和其他公司最近做出了可信的声明，称他们已经实现了人为的量子加速，但这只是针对特定的、深奥的基准（我帮助开发的基准）。一台足够大且足够可靠，在破解密码和模拟化学等实际应用中优于经典计算机的量子计算机可能还有很长的路要走。 但是可编程计算机怎么可能只在某些问题上更快呢？我们知道哪些？在这种情况下，“大而可靠”的量子计算机意味着什么？要回答这些问题，我们必须深入研究。 让我们从量子力学开始。（还有什么比这更深的？）叠加的概念很难用日常用语来表达。因此，毫不奇怪，许多作家选择了一种简单的出路：他们说叠加意味着“同时”，因此一个量子位或量子位只是一个可以“同时为 0 和 1”的位,”而经典位只能是其中之一。他们继续说，量子计算机将通过使用量子比特来尝试所有可能的叠加解决方案来实现其速度——也就是说，同时或并行。 这就是我认为量子计算普及的根本性失误，它导致了所有其他事情。从这里开始，量子计算机通过一次尝试所有可能的答案来快速解决诸如[旅行推销员问题]之类的问题——几乎所有专家都认为他们无法做到这一点。 问题是，为了让计算机有用，在某些时候你需要查看它并读取输出。但是如果你看所有可能答案的相等叠加，量子力学的规则说你只会看到和阅读一个随机的答案。如果这就是你想要的，你可以自己选择一个。 叠加的真正含义是“复杂的线性组合”。在这里，我们的意思是“复杂”，而不是“复杂”的意思，而是实数加虚数的意思，而“线性组合”是指我们将不同的状态倍数相加。所以一个量子比特是一个位，它有一个复数，称为振幅，它与它为 0 的可能性相关联，而另一个振幅与它为 1 的可能性相关联。这些振幅与概率密切相关，因为某些结果的振幅越大从零开始，看到该结果的机会就越大；更准确地说，概率等于距离的平方。 但幅度不是概率。他们遵循不同的规则。例如，如果对幅度的某些贡献是正的，而其他的贡献是负的，那么这些贡献可能会破坏性地干扰并相互抵消，从而使幅度为零，并且永远不会观察到相应的结果；同样，它们可以建设性地干预并增加特定结果的可能性。为量子计算机设计算法的目标是编排相长干涉和相消干涉的模式，以便对于每个错误答案，对其幅度的贡献相互抵消，而对于正确答案，贡献相互加强。当且仅当您可以安排时，您在看的时候很有可能会看到正确的答案。 27 年前，Shor 展示了如何解决整数分解问题，这打破了许多在线商务中广泛使用的密码代码。我们现在也知道如何解决其他一些问题，但只能通过利用这些问题中的特殊数学结构。这不仅仅是一次尝试所有可能的答案的问题。 更复杂的是，如果你想诚实地谈论量子计算，那么你还需要理论计算机科学的概念词汇。我经常被问到量子计算机将比今天的计算机快多少倍。一百万次？十亿？ 这个问题忽略了量子计算机的重点，即实现更好的“缩放行为”，或作为输入数据位数n的函数的运行时间。这可能意味着解决一个问题，其中最好的经典算法需要多个随n呈指数增长的步骤，并使用仅随n 2增长的多个步骤来解决它。在这种情况下，对于较小的n，使用量子计算机解决问题实际上会比经典解决问题更慢且更昂贵。只有随着n的增长，量子加速才首先出现，然后最终占主导地位。 但是我们怎么能知道没有经典的捷径——一种与量子算法具有相似缩放行为的传统算法呢？尽管在流行的说法中通常被忽略，但这个问题是量子算法研究的核心，其中的困难通常不是证明量子计算机可以快速做某事，而是令人信服地证明经典计算机不能。唉，事实证明，证明问题是困难的非常困难，正如著名的P 与 NP 问题（粗略地询问是否每个具有快速可检查解决方案的问题也可以快速解决）所说明的那样。这不仅仅是一个学术问题，而是一个点点滴滴的问题：在过去的几十年里，推测的量子加速已经一再消失，当发现经典算法具有相似的性能。 请注意，在解释了这一切之后，我仍然没有说建造量子计算机的实际困难。简而言之，问题是退相干，这意味着量子计算机与其环境（附近的电场、温暖的物体和其他可以记录量子比特信息的事物）之间发生不必要的相互作用。这可能导致对量子位的过早“测量”，从而将它们分解为绝对为 0 或绝对为 1 的经典位。该问题的唯一已知解决方案是量子纠错：一种方案，在 1990 年代中期提出，巧妙地将量子计算的每个量子位编码为数十甚至数千个物理量子位的集体状态。但研究人员现在才开始在现实世界中进行这种纠错工作，实际投入使用需要更长的时间。当您阅读有关 50 或 60 个物理量子位的最新实验时，重要的是要了解这些量子位没有经过纠错。在它们出现之前，我们不希望能够扩展到超过几百个量子比特。 一旦有人理解了这些概念，我想说他们已经准备好开始阅读——甚至可能写——一篇关于量子计算最新进展的文章。他们会知道在不断努力区分现实和炒作时要问哪些问题。真正理解这些东西是可能的——毕竟，这不是火箭科学；这只是量子计算！ |
元宇宙是否正在陷入无政府资本主义？ |
你可能听说过，量子计算机是一种神奇的超级机器，通过在不同的平行宇宙中尝试所有可能的答案，作用就是很快就能治愈癌症和全球变暖。近十五年来，在我的博客和其他地方，我一直在抨击这种近似卡通化的愿景，并试图解释我所看到的更微妙但具有讽刺意味的是更迷人的事实。我将其视为一项公共服务，几乎是我作为量子计算研究员的道德责任。这项工作给人一种西西弗斯式的感觉：多年来，随着企业和政府投资数十亿美元，以及随着技术发展到可编程 50 量子比特设备（在某些人为的基准上）确实可以提供世界上最大的超级计算机为他们的钱而运转。就像在加密货币、机器学习和其他时尚领域一样，有钱的小是商家也蜂拥而至。 不过，在反思中我明白了。现实情况是，即使你消除了所有不良激励和贪婪，如果没有数学，量子计算仍然很难简单而诚实地解释。正如量子计算先驱理查德·费曼 (Richard Feynman) 曾经谈到让他获得诺贝尔奖的量子电动力学工作一样，如果可以用几句话来描述它，那将不值得获得诺贝尔奖。 并不是说这阻止了人们进行尝试。自从 Peter Shor 在 1994 年发现量子计算机可以破解保护互联网交易的大部分加密技术以来，人们对这项技术的兴奋不仅仅是出于求知欲。事实上，该领域的发展通常被作为商业或技术故事而不是科学故事来报道。 如果从事商业或技术专业记者能够如实告诉读者，那很好，“看，量子计算机表面下有这些深量子的东西，但你需要了解的是底线：物理学家即将建造更快的计算机，这将彻底改变一切。” 问题是量子计算机不会彻底改变一切。 是的，他们有朝一日可能会在几分钟内解决一些特定问题（我们认为）这些问题需要比经典计算机上的宇宙年龄更长的时间。但对于许多其他重要问题，大多数专家认为量子计算机只能提供适度的帮助，如果有的话。此外，虽然谷歌和其他公司最近做出了可信的声明，称他们已经实现了人为的量子加速，但这只是针对特定的、深奥的基准。一台足够大且足够可靠，在破解密码和模拟化学等实际应用中优于经典计算机的量子计算机可能还有很长的路要走。 但是可编程计算机怎么可能只在某些问题上更快呢？我们知道哪些？在这种情况下，“大而可靠”的量子计算机意味着什么？要回答这些问题，我们必须深入研究。 让我们从量子力学开始。（还有什么比这更深的？）叠加的概念很难用日常用语来表达。因此，毫不奇怪，许多作家选择了一种简单的出路：他们说叠加意味着“同时”，因此一个量子位或量子位只是一个可以“同时为 0 和 1”的位,”而经典位只能是其中之一。他们继续说，量子计算机将通过使用量子比特来尝试所有可能的叠加解决方案来实现其速度——也就是说，同时或并行。 这就是我认为量子计算普及的根本性失误，它导致了所有其他事情。从这里开始，量子计算机通过一次尝试所有可能的答案来快速解决诸如[旅行推销员问题]之类的问题——几乎所有专家都认为他们无法做到这一点。 问题是，为了让计算机有用，在某些时候你需要查看它并读取输出。但是如果你看所有可能答案的相等叠加，量子力学的规则说你只会看到和阅读一个随机的答案。如果这就是你想要的，你可以自己选择一个。 叠加的真正含义是“复杂的线性组合”。在这里，我们的意思是“复杂”，而不是“复杂”的意思，而是实数加虚数的意思，而“线性组合”是指我们将不同的状态倍数相加。所以一个量子比特是一个位，它有一个复数，称为振幅，它与它为 0 的可能性相关联，而另一个振幅与它为 1 的可能性相关联。这些振幅与概率密切相关，因为某些结果的振幅越大从零开始，看到该结果的机会就越大；更准确地说，概率等于距离的平方。 但幅度不是概率。他们遵循不同的规则。例如，如果对幅度的某些贡献是正的，而其他的贡献是负的，那么这些贡献可能会破坏性地干扰并相互抵消，从而使幅度为零，并且永远不会观察到相应的结果；同样，它们可以建设性地干预并增加特定结果的可能性。为量子计算机设计算法的目标是编排相长干涉和相消干涉的模式，以便对于每个错误答案，对其幅度的贡献相互抵消，而对于正确答案，贡献相互加强。当且仅当您可以安排时，您在看的时候很有可能会看到正确的答案。 27 年前，Shor 展示了如何解决整数分解问题，这打破了许多在线商务中广泛使用的密码代码。我们现在也知道如何解决其他一些问题，但只能通过利用这些问题中的特殊数学结构。这不仅仅是一次尝试所有可能的答案的问题。 更复杂的是，如果你想诚实地谈论量子计算，那么你还需要理论计算机科学的概念词汇。我经常被问到量子计算机将比今天的计算机快多少倍。一百万次？十亿？ 这个问题忽略了量子计算机的重点，即实现更好的“缩放行为”，或作为输入数据位数n的函数的运行时间。这可能意味着解决一个问题，其中最好的经典算法需要多个随n呈指数增长的步骤，并使用仅随n 2增长的多个步骤来解决它。在这种情况下，对于较小的n，使用量子计算机解决问题实际上会比经典解决问题更慢且更昂贵。只有随着n的增长，量子加速才首先出现，然后最终占主导地位。 但是我们怎么能知道没有经典的捷径——一种与量子算法具有相似缩放行为的传统算法呢？尽管在流行的说法中通常被忽略，但这个问题是量子算法研究的核心，其中的困难通常不是证明量子计算机可以快速做某事，而是令人信服地证明经典计算机不能。唉，事实证明，证明问题是困难的非常困难，正如著名的P 与 NP 问题（粗略地询问是否每个具有快速可检查解决方案的问题也可以快速解决）所说明的那样。这不仅仅是一个学术问题，而是一个点点滴滴的问题：在过去的几十年里，推测的量子加速已经一再消失，当[发现经典算法]具有相似的性能时。 一旦有人理解了这些概念，我想说他们已经准备好开始阅读——甚至可能写——一篇关于量子计算最新进展的文章。他们会知道在不断努力区分现实和炒作时要问哪些问题。真正理解这些东西是可能的——毕竟，这不是火箭科学；这只是量子计算！ |
Title: DAOrayaki | What Makes Quantum Computing So Hard to Explain?
Deadline: 6/2/2022
Committee Decision: 6/2/2022-6/5/2022
Description: English to Chinese;
5/31/2022-6/2/2022 is the creator's translation time, that is, creators need to submit before 6/2 ;6/2/2022-6/5/2022 is the committee review and voting time.
link: https://www.quantamagazine.org/why-is-quantum-computing-so-hard-to-explain-20210608/?gclid=Cj0KCQjwyMiTBhDKARIsAAJ-9VtapiVGBeTzs-8vU-ctHkgfGEcrfRZfTlz_3KZky6Voy71HmkC0EbgaAnJuEALw_wcB
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