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新闻摘要
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英伟达大幅升级了其量子计算机模拟软件cuQuantum,使科学家能够在无需数百万美元的实际量子硬件的情况下测试和开发量子计算机。最新更新带来了三大改进:动态梯度有助于人工智能学习如何设计更好的量子计算机,支持称为DMRG的技术来模拟复杂的量子系统,以及在新硬件上实现了大幅加速。现在,设计量子处理器的科学家可以运行的模拟速度比以前快16-26倍,让他们在测试几个设计变体的时间内就能测试数千个变体。这至关重要,因为真正的量子计算机极其脆弱 – 它们必须保持比外层空间还要冷的温度,并与所有振动隔离。通过先在配备强大显卡的普通计算机上模拟它们,研究人员可以在构建昂贵的真实版本之前完善他们的设计。该软件有助于解决量子计算最大的挑战之一:弄清如何控制可以同时处于多种状态的量子比特(qubits),而不是只有0或1的常规计算机比特。这一突破可能会加快量子计算机的发展,这将彻底改变从医学到密码学等各个领域。
来源: 英伟达开发者博客
本站解析
背景和环境
想象一下,试图建造世界上最复杂的乐高套装,但每个零件都要价一百万美元,稍有不慎就会损坏。这就是量子计算机的挑战所在。这些未来主义机器承诺能解决常规计算机需要数百万年才能解决的问题,但它们极其难以构建和昂贵。
量子计算机是基于量子物理学原理运作的,粒子可以同时处于多种状态 – 就像一枚正在空中旋转的硬币,在落地之前既是正面又是反面。这种”叠加态”使量子计算机能够同时探索多种解决方案,从而使其在某些问题上潜在地比常规计算机快数百万倍。
专家分析
量子模拟的妙处在于,它让科学家在投入硬件之前就可以虚拟地练习构建量子计算机。这就像使用飞行模拟器来训练飞行员 – 你可以在模拟器中摔毁数次,而不会损坏真正的飞机。英伟达的cuQuantum软件将游戏显卡变成了量子计算机模拟器。
新的”动态梯度”功能尤其令人兴奋。这就像有一位教练在观察你的练习,并告诉你如何精进。当科学家设计量子电路时,该软件现在可以精确地告诉他们每一个微小调整都会如何影响结果,从而允许他们通过人工智能辅助的试错来优化设计。
补充数据和事实
数字令人惊叹。一台真正的量子计算机需要-273°C(接近绝对零度)的温度,需要数千万美元的投资,并需要一个占据整个房间的冷却系统。相比之下,模拟运行在几千美元的显卡上,可以装在普通电脑里。16-26倍的加速意味着之前需要一个月的实验现在只需一天就能完成。
当前的量子计算机拥有大约100-1000个量子比特(qubits),但即使模拟50个量子比特也需要的内存超过了全世界所有计算机的总和。这就是为什么专门的软件和硬件加速如此关键 – 它们使不可能的事情变得仅仅很困难。
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量子计算机的竞争正在全球范围内升温。谷歌在2019年宣称实现了”量子优越性”,IBM提供对真正量子计算机的云端访问,中国也投入了数十亿美元用于量子研究。微软和亚马逊也在开发自己的量子平台。每种方法都有所不同,但都严重依赖于模拟来进行开发。
这种竞争以意想不到的方式推动了创新。为这些量子模拟提供动力的同一些显卡也在运行人工智能模型和视频游戏,创造了一个良性循环,即游戏技术推动科学进步,而科学进步又改善游戏硬件。
总结
英伟达的量子模拟突破代表了量子计算研究的民主化。通过使在(相对)负担得起的硬件上实验量子设计成为可能,更多的研究人员可以为解决建造实用量子计算机的巨大挑战做出贡献。对于有兴趣探索物理学、计算机科学和未来技术交叉领域的学生来说,这个领域提供了前所未有的机会,去解决将定义下一个计算时代的问题。
公众反应
量子研究人员欢迎这些工具提供的可及性,特别是对于预算有限的大学来说。现在,研究生可以在宿舍里运行量子实验。游戏玩家发现,他们的显卡竟然可以模拟量子物理。一些人担心量子计算机会破坏当前的加密,而另一些人则梦想着量子驱动的药物发现和气候建模。
常见问题解答
问: 什么使量子计算机如此特殊?
答: 常规计算机是顺序处理信息(一次一个计算),而量子计算机可以同时探索多种可能性。这就像通过同时走遍迷宫的每一条路径来解决迷宫,而不是一次尝试一条路径。
问: 我们什么时候才能拥有真正的量子计算机?
答: 目前已经有一些有限的量子计算机,但真正实用的、可以解决日常问题的量子计算机可能还需要10-20年。这就是为什么模拟如此关键 – 它加速了发展。
问: 学生能学习量子计算吗?
答: 是的!许多大学都提供量子计算课程,而且还有免费的在线模拟器让任何人都可以尝试量子电路。你不需要物理学博士学位 – 只需要好奇心和基本的编程技能。
