Quantum Computers Aren’t What You Think — They’re Cooler | Hartmut Neven | TED

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TED


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譯者: Wenjer Leuschel 審譯者: Shelley Tsang 曾雯海
00:04
I'm Hartmut, I lead Google Quantum AI.
0
4459
3462
我是哈特穆特 我領導谷歌量子人工智能
00:08
I have been working on quantum computing since 2012.
1
8338
4421
自 2012 年以來 我 一直在從事量子計算
00:12
And let me tell you why this is so intriguing.
2
12759
2878
讓我告訴你 為什麼這如此有趣
00:16
Today's computers, like your laptop or a server at a Google data center,
3
16221
5255
當今的電腦 例如您的筆記本電腦 或 Google 數據中心的服務器
00:21
operate on the binary logic of zeros and ones.
4
21518
3128
根據零和一的二進制邏輯運行
00:25
A quantum computer like this one replaces the binary logic
5
25230
4921
像這樣的量子電腦 用量子物理定律
00:30
with the laws of quantum physics that gives it more powerful operations,
6
30193
4588
取代二進制邏輯 從而使其操作更為強大
00:34
allowing it to perform certain computations with way fewer steps.
7
34823
5297
使其能夠以更少的步驟 執行某些計算
00:40
So where does this superpower come from?
8
40120
3128
那麼這個超能力是從哪裡來的?
00:43
Quantum computing is the first technology
9
43290
3378
量子計算是第一項認真
00:46
that takes the idea serious that we live in a multiverse.
10
46710
3879
認真認為我們生活在 多元宇宙中的想法的技術
00:50
It can be seen as farming out computations to parallel universes.
11
50922
5381
它可以被視為 將計算發展到並行宇宙中
00:56
Let me explain.
12
56303
1459
讓我解釋一下
00:57
In quantum physics,
13
57804
1794
在量子物理中
00:59
the key mathematical object
14
59639
2127
描述許多世界
01:01
to describe many worlds is called superposition.
15
61766
3003
的關鍵數學 對象稱為疊加
01:05
To understand what it is, let's look at this simple system.
16
65312
3795
要了解它是什麼 讓我們看看這個簡單的系統
01:09
You just need three bits to describe it.
17
69149
2669
您只需要三個位元即可描述它
01:12
Each coin is a two-state system.
18
72152
3086
每個硬幣都是一個雙狀態系統
01:15
Heads or tails,
19
75280
1251
頭或尾
01:16
zero or one.
20
76531
1668
零或一
01:18
We look at a start state.
21
78742
1877
我們看一個起始狀態
01:20
If I were to know which forces act on the system,
22
80619
5005
如果我知道哪些力 作用在系統上
01:25
then I can predict its trajectory and future states.
23
85624
5213
那麼我可以預測它的軌跡 和未來狀態
01:30
This is how we reason in classical physics and also in everyday life.
24
90879
5297
這就是我們在古典物理 和日常生活中的理論方式
01:36
But if you were to treat this as a quantum system,
25
96217
3170
但是如果您將它 視為一個量子系統
01:39
then it can branch into many configurations simultaneously.
26
99387
4922
那麼它可以同時分支為 許多配置
01:44
And we have to keep track of all those trajectories,
27
104851
3045
我們必須跟踪 所有這些軌跡
01:47
interfere them to make an accurate prediction
28
107937
3087
干擾它們 以準確預測
01:51
of what states we are going to see in the future.
29
111066
3086
我們將來將 看到什麼狀態
01:55
So the equations of quantum mechanics
30
115070
3169
因此 量子力學方程
01:58
tell us that at any time, any object,
31
118239
4255
告訴我們 在任何時候 任何物體
02:02
myself or the world at large,
32
122535
1877
不論我自己或整個世界
02:04
exists in a superposition of many configurations.
33
124454
3462
都存在於許多配置 的疊加中
02:08
Intriguingly, look around in this room.
34
128583
3045
有趣的是 在這個房間裡四周看看
02:12
We are forming a configuration too.
35
132045
3503
我們也正在構建一個配置
02:16
And the equations of quantum physics would suggest
36
136966
4046
量子物理的方程式 會表明我們
02:21
that we sit in different arrangements in different worlds.
37
141012
3879
在不同的世界中 坐在不同的排列中
02:25
This superpower can be applied to computation.
38
145433
3420
這種超能力 可以應用於計算
02:28
Picture a search task.
39
148895
1627
想像一個搜索任務
02:30
By envisioning a very tall closet with a million drawers,
40
150563
4630
通過想像一個有百萬 抽屜的非常高的衣櫃
02:35
I place an item in one of the drawers.
41
155193
3170
我將一件物品放在抽屜中
02:38
How many drawers do you have to open to find the item?
42
158405
3878
您需要打開多少抽屜 才能找到該物品?
02:42
In average it will be half a million,
43
162325
3545
平均來說 它將是半百萬
02:45
but if you had access to a quantum algorithm,
44
165912
3128
但如果您有權 訪問量子算法
02:49
it would only be 1,000 steps to find the item.
45
169040
5005
則只需 1,000 個步驟即可 找到該項目
02:54
How in the world can this be?
46
174629
1919
到底怎麼會這樣呢?
02:56
Indeed, it cannot be in a single world.
47
176923
2544
事實上 它不能在單一世界中
02:59
So here you see a good example
48
179509
2252
所以在這裡你看到一個很好的例子
03:01
of how quantum computing can attain an advantage
49
181803
3337
關於量子計算 如何通過在平行
03:05
by performing computations in parallel worlds.
50
185181
3796
世界中執行計算 來獲得優勢
03:08
Let me show you how to use a quantum computer in practice.
51
188977
4588
讓我向您展示如何在 實踐中使用量子電腦
03:14
So here you see a program in Cirq,
52
194149
3920
因此您在這裡看到一個用 Cirq
03:18
or Python-based programming language to express quantum algorithms.
53
198111
4296
或基於 Python 的編程 語言的程式來表達量子算法
03:22
It looks like sheet music.
54
202449
1501
它看起來像樂譜
03:23
Each line represents a qubit,
55
203950
2961
每一行代表一個 qubit
03:26
and each box represents an operation.
56
206953
3337
每個方塊代表一個操作
03:30
When I hit return,
57
210290
1668
當我按下回車鍵時
03:32
then it gets transmitted to our data center
58
212000
2252
它就會傳送到我們位於
03:34
in Santa Barbara.
59
214252
1335
聖塔芭芭拉的資料中心。
03:35
Here you actually see a live feed of one of our machines.
60
215628
3921
在這裡您實際上可以看到 我們每台機器的即時直播
03:39
Actually, our most powerful quantum computers now have over 100 qubits.
61
219591
4629
事實上我們最強大的量子電腦 現在擁有超過 100 個量子位元
03:44
There, the operations get translated into waveforms,
62
224262
5631
在那裡這些操作 被轉換為波形
03:49
electrical pulses that control the qubits.
63
229934
3879
這些電脈衝可以控制量子位元
03:54
You see how the waveforms change as I change the circuit.
64
234272
3962
您可以看到當我更改電路時波形 如何變化。
03:58
So this is a simple two-qubit circuit performing quantum search.
65
238568
6006
所以這是一個執行量子搜索的 簡單的雙量子位元電路
04:04
For the programmers among you,
66
244574
2127
對於你們中的程式員
04:06
please note how I find one item in a database of four
67
246743
4838
請注意 我如何只藉由 對數據庫進行一次調用
04:11
by only doing a single call to the database.
68
251623
4379
來找到四個數據庫中的 一個項目
04:16
This is something you could not do on an ordinary computer.
69
256002
4338
這是您無法在 普通電腦上做的事情
04:21
So what can you do with quantum computers today?
70
261132
4088
那麼今天你可以用 量子電腦做什麼?
04:25
We have prepared interesting quantum states
71
265261
2836
我們準備了有 趣的量子狀態
04:28
and studied their properties.
72
268139
2002
並研究它們的屬性
04:30
This has led to dozens of publications
73
270141
2670
這導致在大自然或科學等
04:32
in high-impact journals like Nature or Science.
74
272852
3253
高影響力的期刊上 出了數十種出版物
04:36
Actually, I like to think of it as creating little pieces of magic.
75
276105
4797
實際上我喜歡把它 視為創造小魔法
04:41
For example, one state we prepared
76
281778
2711
例如我們準備的一種狀態
04:44
can be thought of as spawning a tiny traversable wormhole.
77
284531
4546
可以被認為是產生 一個可穿越的小蟲洞
04:49
We can use it to learn about the physics of wormholes.
78
289118
2837
我們可以用它來 了解蟲洞的物理學
04:51
We can throw a qubit in
79
291955
1710
我們可以投入一個 qubit
04:53
and see how it reappears on the other side.
80
293665
2794
看看它如何在 另一側重新出現
04:56
We made time crystals.
81
296918
1710
我們製作了時間水晶
04:58
That's a cool word, isn't it?
82
298670
1418
這是個很酷的單詞不是嗎?
05:00
Like, who doesn't want to have a time crystal as an earring?
83
300088
3920
比如 誰不想把時間 水晶當作耳環呢?
05:04
Time crystals have amazing physical properties.
84
304843
3920
時間晶體具有 驚人的物理特性
05:08
They change periodically in time without ever exchanging energy
85
308763
5172
它們會在時間內 定期變化而不會
05:13
with the environment.
86
313935
1209
與環境交換能量
05:15
That's the closest to a perpetual mobile
87
315144
3295
這是物理定律允許您
05:18
that the laws of physics allow you to get.
88
318481
2836
獲得的最接近永動設備
05:21
Or a final example, non-abelian anyons.
89
321359
3670
或者最後一個例子 非阿貝爾安永
05:25
This is a mouthful,
90
325071
1585
這是一口氣説出来的
05:26
but these are systems that change the overall properties
91
326656
4838
是在交換兩個 相同的部分時改變整
05:31
when exchanging two identical parts,
92
331536
2336
體屬性的系統
05:33
something humans have never seen before.
93
333913
2962
這是人類以前 從未見過的事情
05:36
Because envision a little house made of Lego bricks
94
336916
3712
因為想像一個由 樂高磚組成的小房子
05:40
and envision swapping two bricks that look identical.
95
340670
4171
並想像交換兩個 看起來相同的磚塊
05:44
In everyday life, you would not notice a difference,
96
344841
3295
在日常生活中 你不會注意到差異
05:48
but quantum physicists had predicted that systems can exist,
97
348136
5630
但量子物理學家曾 預測系統可以存在
05:53
that exchange or change their properties
98
353808
3462
當您交換兩個相同的部分時
05:57
when you exchange two identical parts.
99
357270
3211
交換或改變它們的屬性
06:01
To date, nobody has performed
100
361107
2961
到目前為止沒有人
06:04
a practical application that can only be done on a quantum computer.
101
364110
4463
執行了只能在量子電腦上 完成的實用應用程式
06:08
Despite what you may have read in the press.
102
368948
2878
儘管你可能在媒體上 閱讀過的內容
06:11
But today, I'm excited to tell you that we are completing the design
103
371868
4546
但今天我很高興地告訴您 我們正在完成一種可能導致
06:16
of an algorithm that may lead to first commercial applications.
104
376414
4796
第一個商業應用 程式的算法的設計
06:21
This quantum algorithm performs signal processing
105
381669
3587
該量子算法 執行信號處理
06:25
to enable new ways to detect and analyze molecules
106
385256
4588
以使用核電子 旋轉光譜檢測
06:29
using nuclear electronic spin spectroscopy.
107
389886
2961
和分析分子 的新方法
06:33
In time, this may lead to exciting consumer applications.
108
393431
3754
隨著時間的推移 這可能會 導致令人興奮的消費者應用
06:37
Envision a device akin to an electronic nose
109
397226
4088
想像一種類似於 手機或智能手錶中的
06:41
in your phone or smart watch.
110
401314
2919
電子鼻子的設備
06:44
Wouldn't it be awesome if your phone could warn you
111
404233
3629
如果您的手機 能夠警告您將
06:47
that you step into a room with dangerous viruses?
112
407862
3504
進入帶有危險病毒的 房間 那不是很棒嗎?
06:51
Or if your smart watch could detect free radicals in your bloodstream
113
411366
4713
或者如果您的智能手錶 可以檢測血液中的自由基
06:56
and tell you it's time to drink your acai juice,
114
416120
3546
並告訴您是時候 喝 Acai 汁了
06:59
or warn you of allergens in food
115
419707
2795
或者警告您食物中的過敏原
07:02
or many other truly helpful use cases.
116
422543
3504
或許多其他真正有用的使用案例
07:06
To unlock more applications,
117
426089
2544
要解鎖更多應用程式
07:08
you will need to build a large error-corrected quantum computer.
118
428633
4463
您將需要構建一個大型錯誤 更正的量子電腦
07:13
Here you see our road map.
119
433137
2044
在這裡你看到我們的路線圖
07:15
How to build a computer with a million physical qubits.
120
435181
4296
如何構建一台具有百萬 物實體量子位元的電腦
07:19
It consists of six milestones.
121
439519
2419
它包括六個里程碑
07:21
and we achieved already the first two.
122
441938
2461
我們已經實現了前兩個
07:24
Prior to 2019,
123
444983
2585
在 2019 年之前
07:27
nobody had shown a beyond classical computation on a quantum computer.
124
447568
5089
沒有人在量子電腦上 展示了超過經典的計算
07:32
We were the first to demonstrate it.
125
452699
2711
我們是第一個展示它的人
07:35
Our chip could perform a computation
126
455410
2669
我們的芯片可以執行當時
07:38
that the then-fastest supercomputer would have needed 10,000 years to do.
127
458079
4630
最快的超級電腦需要 10,000 年才能完成的計算
07:43
But recently, we repeated this experiment.
128
463084
4296
但最近我們重複了這個實驗
07:47
And now, Frontier, today's top supercomputer,
129
467755
3879
現在當今頂尖的超級電腦 Frontier
07:51
would need one billion years to perform this computation.
130
471676
4254
需要十億年才 能執行這種計算
07:56
This dramatic growth in compute power corroborates Neven's Law,
131
476264
4713
計算功率的這種巨大增長 證實了 Neven 定律
08:01
which says that the power of quantum computers will grow
132
481019
3628
該定律表示量子電腦的 力量將以兩倍指數的
08:04
at a double exponential rate.
133
484689
2544
速度增長
08:07
In 2023, we achieved the second milestone.
134
487650
3504
2023 年我們實現了第二個里程碑
08:11
We demonstrated again for the first time
135
491195
2545
我們再次展示了量子
08:13
that quantum error correction is a scalable technology.
136
493781
3921
錯誤校正是一種 可擴展的技術
08:17
Error correction sounds boring, but it's crucial.
137
497744
3420
錯誤修正聽起來很無聊 但這是很重要的
08:21
Today, our two-qubit operations have an error rate of 1 in 1,000.
138
501539
4963
今天我們的雙量子位元運算的 錯誤率為 1,000 分之一
08:26
That means that in every 1,000 steps or so,
139
506836
3879
這意味著每 1000 個 步驟左右
08:30
the quantum computer will crash.
140
510715
2461
量子電腦將崩潰
08:33
To improve this,
141
513176
1334
為了改善這一點
08:34
we combine many physical qubits to a logical qubit
142
514552
3587
我們將許多實體等位 組合成邏輯量子位元
08:38
to reduce the error rate to 1 in a billion or even less.
143
518181
4671
將錯誤率降低到一億分之一 甚至更少
08:43
We are about halfway through our road map,
144
523394
2753
我們已經完成路線圖的一半
08:46
and we are optimistic that we will complete it
145
526147
2336
我們樂觀 我們將在
08:48
before the end of this decade.
146
528524
2503
這十年結束之前完成它
08:51
We have done analytical and numerical studies
147
531069
3962
我們已經進行 分析和數值研究
08:55
to predict which algorithms will be impactful
148
535073
3503
以預測哪些算法 將對如此大的
08:58
on such a large quantum computer.
149
538618
2127
量子電腦產生的影響
09:01
A class of applications we like and we call Feynman's killer app,
150
541370
4046
我們喜歡的一類應用程式 我們稱為 Feynman 的殺手應用程式
09:05
is the simulation of systems where quantum effects are important.
151
545458
6006
是對量子效果 很重要的系統模擬
09:11
This is relevant for designing more effective,
152
551506
3044
這對於設計更有效 更有
09:14
more targeted medicines.
153
554592
1960
針對性的藥物有關
09:16
Specifically, we have worked with a pharmaceutical company
154
556594
3670
具體來說 我們與一家製藥公司
09:20
on algorithms to describe cytochrome P450.
155
560306
3962
合作研究演算法來描述細胞色素 P450
09:24
This group of enzymes metabolizes about 75 percent of the drugs we take.
156
564268
5172
這組酶代謝大約我們服用的藥物的 75%
09:29
Or the design of lighter, faster-charging batteries
157
569440
4380
或是更輕、更快充電的 電池的設計
09:33
that can hold a larger charge for electric cars
158
573820
3420
可以為電動汽車 甚至電動飛機承載
09:37
or even electric airplanes.
159
577281
2294
更大的電量
09:39
Or to hasten the design of fusion reactors to help with climate change,
160
579617
6507
或是加快融合反應器的設計 以幫助應對氣候變化
09:46
arguably humanity's most urgent challenge.
161
586165
4046
這可以說是人類最緊急的挑戰
09:51
A recent result is a novel algorithm
162
591254
3837
最近的結果是一種新穎的算法
09:55
that delivers significant speed up for optimization.
163
595133
3545
可以大幅提高 優化的速度
09:59
This is a big deal
164
599387
1251
這是一個很大的問題
10:00
because optimization problems are ubiquitous
165
600638
4505
因為優化問題在 工程 金融或
10:05
in engineering, finance or machine learning.
166
605143
3753
機器學習中 無所不在
10:08
A way to think about this result is in the future,
167
608938
3170
考慮這一結果的 一種方法是在未來
10:12
when an AI will play chess or Go against the quantum AI,
168
612108
4296
當人工智能將打國際象棋 或與量子人工智能對抗時
10:16
the quantum AI will win.
169
616404
2085
量子人工智能將贏得勝利
10:18
This result shows that quantum computers
170
618948
2628
這個結果表明量子電腦
10:21
will become a must-have capability
171
621576
3336
將成為服務基礎計算
10:24
to serve foundational computational tasks.
172
624912
3045
任務的必備能力
10:28
I'm also very interested in the intersection of physics
173
628332
4046
我也對物理和神經 生物學的交叉
10:32
and neurobiology.
174
632420
1376
感到興趣
10:34
Quantum information science
175
634172
1918
量子信息科學
10:36
may enable us to answer one of humanity's deepest questions:
176
636132
4629
可能使我們能夠回答 人類最深的問題之一:
10:40
What creates conscious experience?
177
640761
2628
是什麼創造了意識的體驗?
10:44
An attractive conjecture is that consciousness
178
644223
3253
一個有吸引力的 猜測是意識
10:47
is how we experience the emergence
179
647518
2628
是我們在多元宇宙所
10:50
of a single classical world
180
650188
2168
構成的許多宇宙中
10:52
out of the many the multiverse is composed of.
181
652398
3212
體驗單一經典世界的 出現的方式
10:56
With academic collaborators,
182
656319
2294
與學術合作者一起
10:58
I have started a program to experimentally test this conjecture
183
658654
3837
我開始了一個計劃 以使用量子神經生物學方法
11:02
using methods of quantum neurobiology.
184
662491
3838
實驗測試這個猜測
11:06
If our conjecture is correct,
185
666370
1877
如果我們的猜測是正確的
11:08
this would allow us to expand human consciousness in space,
186
668289
3629
這將使我們能夠 在空間 時間和複雜性中
11:11
time and complexity.
187
671959
1627
擴大人類的意識
11:14
In conclusion,
188
674795
1210
總之
11:16
we are making steady progress
189
676005
1877
我們正在努力打造世界上
11:17
towards building the world's first useful quantum computer
190
677882
3670
第一台有用的量子電腦 並將其巨大的力量
11:21
and applying its enormous power to important challenges.
191
681552
4213
應用於重要挑戰方面 取得穩定的進展
11:26
A quantum computer will be a gift to future generations,
192
686140
3796
量子電腦將是 給未來一代的禮物
11:29
giving them a new tool to solve problems that today are unsolvable.
193
689936
5171
為他們提供一種新的工具來解決 當今無法解決的問題
11:35
Thank you.
194
695775
1168
謝謝
11:36
(Applause)
195
696943
2085
(掌聲)
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