前言
說到量子計算機的話,我們大家可能會比較陌生,我們一般都只是聽過普通電腦計算機,筆記本之類的,但是對于這一項高科技,量子計算機,我們卻知之很少!那么,我們量子計算機到底有多厲害呢?今天我們就來聊一下,量子計算機到底是什么?為何所有國家都爭相研發(fā)!
首先,我們來看一下,量子計算機到底為何物呢?讓我們一起走近量子計算機,揭開它神秘的面紗。
量子計算機是一種使用量子邏輯進行通用計算的裝置。不同於電子計算機,量子計算用來存儲資料的對象是量子位元,它使用量子演算法來進行資料操作。馬約拉納費米子反粒子就是自己本身的屬性,或許是令量子計算機的制造變成現(xiàn)實的一個關鍵。
量子電腦分別對傳統(tǒng)電腦的限制作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統(tǒng)來描述,如二能級系統(tǒng),量子計算機的變換(即量子計算)包括所有可能的正變換。量子特性在提高運算速度、確保信息安全、增大信息容量和提高檢測精度等方面可能突破現(xiàn)有經(jīng)典信息系統(tǒng)的極限。
它與傳統(tǒng)計算機的區(qū)別,因為傳統(tǒng)計算機隨著處理數(shù)據(jù)位數(shù)的增加所面臨的困難線形增加,要分解一個129位的數(shù)字需要1600臺超級計算機聯(lián)網(wǎng)工作8個月,而要分解一個140位的數(shù)字所需的時間將是幾百年。但是利用一臺量子計算機,在幾秒內就可得到結果,其運算能力相當于1000億個奔騰處理器。足以知道其巨大的威力了吧!
量子計算機處理數(shù)據(jù)不像傳統(tǒng)計算機那樣分步進行,而是同時完成,這樣就節(jié)省了不少時間,適于大規(guī)模的數(shù)據(jù)計算。傳統(tǒng)計算機隨著處理數(shù)據(jù)位數(shù)的增加所面臨的困難線形增加,要分解一個129位的數(shù)字需要1600臺超級計算機聯(lián)網(wǎng)工作8個月,而要分解一個140位的數(shù)字所需的時間將是幾百年。但是利用一臺量子計算機,在幾秒內就可得到結果,其運算能力相當于1000億個奔騰處理器,運算速度比現(xiàn)其次是用量子計算機可以對任意物理系統(tǒng)進行高效率的模擬。
據(jù)報道,我國量子計算機研究取得突破性進展,中國科技大學量子實驗室成功研發(fā)了半導體量子芯片。量子芯片相當于未來量子計算機的“大腦”,可實現(xiàn)量子的邏輯運算和信息處理。 “量子芯片”作為量子計算機的“大腦”,是體現(xiàn)和普通計算機差異的核心。目前,國內外研究機構都開始對這一領域展開了研究,而中國也無疑已經(jīng)走在了前列。除高速之外,節(jié)能也是量子計算的另一大核心優(yōu)勢。理論上,量子計算的過程中是沒有能耗的,目前最先進的D-Wave 量子計算機處理器只消耗1 微瓦,并且能耗不會隨著計算能力的提升而提升。
量子信息科學對保密通信和高性能計算給出了革命性的解決方案,人們可以利用量子密鑰分配實現(xiàn)基于量子力學原理的無條件安全密鑰分配。量子并行性又使得量子計算可以實現(xiàn)遠高于經(jīng)典計算機的計算能力。近三十年量子信息領域的實驗技術飛速發(fā)展,量子密碼已成為商用化的保密技術;谷歌等國際著名IT公司也己開始投資實用化的量子計算研究。
中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦表示,“量子計算機是一項顛覆性的技術,一旦成功研發(fā),就可以破解現(xiàn)在所有的密碼,另外它還可以解決大數(shù)據(jù)等等問題。雖然有種種困難,但是大家普遍認為量子計算很快(10年)就能在人工智能領域發(fā)揮作用了。因為量子退火機Dwave可以在人工智能領域完全地發(fā)揮出量子計算功能。這也是Google建立Quantum AI Lab的主要原因。
在自然科學領域,量子計算可以很高效地模擬諸多自然過程,會成為相關領域科學家的一大利器。所以用量子計算機模擬自然現(xiàn)象有著巨大的吸引力。這也就是為何所有國家都爭相研發(fā)的重要原因!
量子將如何改變我們的生活?
有人說,從電子計算機飛躍到量子計算機,無論生產(chǎn)、科研還是日常生活,世界將會經(jīng)歷一場顛覆性改變。通過量子計算機,我們可以把整個城市甚至整個地球上所有人的出行計劃全部輸入進去,它就能瞬間設計出最佳出行路線,從而讓人們徹底告別交通擁堵。?中國科學技術大學教授朱曉波說,在我們生活的宏觀世界里,物體的位置、速度等運動規(guī)律,都可以通過牛頓力學精確地測算。但在量子微觀世界里,有著與宏觀世界截然不同的規(guī)則。
量子的神秘之處首先體現(xiàn)在它的“狀態(tài)”。在宏觀世界里,任何一個物體在某一時刻有著確定的狀態(tài)和確定的位置。但在微觀世界里,量子卻同時處于多種狀態(tài)和多個位置的“疊加”。
量子力學的開創(chuàng)者之一、奧地利物理學家薛定諤曾用一只貓來比喻量子態(tài)疊加:箱子里有一只貓,在宏觀世界中它要么是活的,要么是死的。但如果在量子世界中,它同時處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。
更為詭異的是,量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”。也就是說,如果你去測量一個量子,那么它就會從多個狀態(tài)、多個位置,變成一個確定的狀態(tài)和一個確定的位置了。如果你打開“薛定諤的箱子”,貓的疊加狀態(tài)就會消失,你會看到一只活貓或一只死貓。
如果說一個量子已經(jīng)很“奇怪”,那么當兩個量子“糾纏”在了一起,那種不確定性連愛因斯坦都受不了了。根據(jù)量子力學理論,如果兩個量子之間形成了“糾纏態(tài)”,那么無論相隔多遠,當一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化,另一個量子也會超光速“瞬間”發(fā)生如同心靈感應的變化。
而基于量子的疊加態(tài)與糾纏特性,量子計算機被認為將是最具威力的量子信息應用。此次亮相的多光子可編程量子計算機,就是探索之一。未來,其超級計算能力的實現(xiàn),將為金融分析、氣象預報、藥物設計等大規(guī)模計算提供全新的方案。量子計算機還可以通過“模擬”,來解決科學研究中的一些未解之謎。
量子計算機最大的優(yōu)勢在于大幅縮短提取用戶所需信息的時間,它可以在幾天內解決傳統(tǒng)計算機會花費數(shù)百萬年才能處理的數(shù)據(jù),因此未來的應用前景十分令人神往。
日前,谷歌量子人工智能實驗室宣布量子計算機最新進展:在兩次測試中D-Wave2X的運行速度比傳統(tǒng)模擬裝置計算機芯片運行速度快1億倍。
經(jīng)過與傳統(tǒng)計算機的比較,谷歌稱已證明其量子計算機確實可執(zhí)行數(shù)學計算。
谷歌工程技術主管哈特馬特·納文表示,“這是一個值得我們歡欣鼓舞的結果,不過要將量子計算機帶入我們的日常生活,技術人員們要做的工作還有很多?!?/p>
讓計算速度“飛”起來
正如電影《異次元駭客》中演繹得那般,在科技發(fā)達的時代,科學家們可以通過強大的計算機虛擬出一個城市,虛擬城市中的科學家又虛擬出一個城市。不管是第一層虛擬或者第二層虛擬,其中的人類生活得怡然自得,他們有思想,有感覺。沒有人去懷疑世界的真實性,完全不知道自己是個人工智能。
事實上,完成如此巨大模擬并不是一件容易的事情。一個人類個體本身所具有的全部特點、微小的變化以及本身細胞之間的各種間接的作用聯(lián)系,還有環(huán)境溫度、大氣變化等等將是一個難以估量的龐大數(shù)據(jù),通用計算機將很難實現(xiàn)完全模擬,這就需要量子計算機來完成。
據(jù)來自蝌蚪五線譜的文章稱,人們研究量子計算機最初很重要的一個出發(fā)點是探索通用計算機的計算極限。早在1982年,頗有遠見的美國著名物理物學家理查德·費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系實現(xiàn)通用計算的新奇想法。1985年,英國物理學家大衛(wèi)·杜斯提出了量子圖靈機模型。理查德·費曼當時就想到如果用量子系統(tǒng)所構成的計算機來模擬量子現(xiàn)象則運算時間可大幅度減少,從而量子計算機的概念誕生了。
目前,我們所有的計算機體系都是基于馮諾依曼式的組織結構,其運行速度的增長已經(jīng)明顯放緩,對于大規(guī)模數(shù)據(jù)的分析計算效率也很難再提高。量子計算的提出,則是旨在專門為復雜問題的求解設計一種全新的計算機體系,即所謂的量子計算機。
量子計算機是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息,運行的是量子算法時,它就是量子計算機。
谷歌日前宣布D-Wave量子計算機在解決問題時能夠比其他任何計算機都快出1億倍,并且能夠極大地推動人工智能的進步。據(jù)悉,谷歌此次宣布的重要佐證就是“量子退火”算法。這種算法確定了當面臨一系列潛在解決方案時一個特定函數(shù)的全局極小值,即在給定一系列選項時,它能夠確定完成一個任務所需的最優(yōu)解決方案。谷歌對D-Wave計算機的量子計算法與傳統(tǒng)計算機上模擬量子隧道效應的算法進行了比較,量子計算機再次獲得了完勝。
基于量子計算的機器,由于體系結構發(fā)生了變化,將采用全新的算法,這使得大規(guī)模數(shù)據(jù)的計算與存儲不再成為難題。業(yè)界人士認為,量子計算機的巨大突破將為云計算和大數(shù)據(jù)處理乃至整個計算機科學領域帶來一場變革。
并行計算是最大優(yōu)勢
其實,量子計算機的計算原理和薛定諤的貓是一樣的,利用的都是“量子疊加態(tài)”。這意味著計算機能同時嘗試所有可能的解,以遠超傳統(tǒng)計算機的速度進行復雜的計算。
按照傳統(tǒng)算法,當用戶需要提取某一個詞組信息或者需要解決一個問題時,計算機要先把所有可能性列舉出來并驗證一遍才能得到正確的信息,而量子計算機能夠直接計算并提取出相應信息。這種計算稱為量子并行計算,也是量子計算機最重要的優(yōu)越性。
量子計算的神奇之處在于,它可以做到真正的并行計算與存儲。例如,一個數(shù)位的經(jīng)典存儲器可以存儲兩個數(shù)字0或者1,但在某一時刻這個數(shù)字要么是0要么是1;而對于量子比特存儲器來說,在同一時刻,它可以同時存儲0和1,其存儲和運行能力都成指數(shù)上升,一個250量子比特的存儲器可以存儲的數(shù)字比我們已知宇宙所有的原子數(shù)還多。
想像一下,你被要求5分鐘內在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個字母“X”,這幾乎是不可能的,因為那里有5000萬冊書。但是如果你處于5000萬個平行現(xiàn)實中,每個現(xiàn)實都可以查看不同的書籍,你肯定能在其中某個現(xiàn)實中找到這個“X”。在這個假設中,普通計算機就是像瘋子一樣的那個你,需要5分鐘內找遍盡可能多的書。而量子計算機卻能將你復制出5000萬個,每個只需翻找一本書即可。
這是量子計算機公司D-Wave聯(lián)合創(chuàng)始人埃里克·勒迪辛斯基對其應用前景的解釋。谷歌和NASA聯(lián)合研究的量子計算機,其實就是從這個公司購買的。2013年,谷歌從D-Wave系統(tǒng)公司購買了一臺量子計算機,并與NASA共同開展量子計算機的研究項目。D-Wave系統(tǒng)公司自2007年推出首臺量子計算機開始就備受爭議。一些學者認為由于量子形態(tài)并不穩(wěn)定,量子計算機只是在理論層面可行。然而這次,谷歌和NASA一同證實了量子計算機的可操作性。
顛覆你未來的生活
谷歌宣布D-Wave2X的速度達到了傳統(tǒng)芯片的1億倍,實在是令人驚嘆。量子計算機最大的優(yōu)勢莫過于大幅縮短提取用戶所需信息的時間,因此它被認為可以在幾天里解決傳統(tǒng)計算機會花費數(shù)百萬年時間才能處理的數(shù)據(jù),未來的應用前景十分令人神往。
現(xiàn)在的天氣預報大多是基于探測數(shù)據(jù)的推測,很難保證準確。但量子計算機可以一次分析所有數(shù)據(jù),向我們提供更好的模型,精準地顯示惡劣天氣會在何時何地出現(xiàn)。我們可以提前預測颶風等極端天氣,從而預留足夠的時間拯救生命。
每天出行GPS可以幫你優(yōu)化出最佳線路,但如果有了量子計算機,我們可以把整個城市甚至整個地球上所有人的出行計劃全都輸入進去,讓它計算出最優(yōu)解,從而讓人們徹底告別交通擁堵。
在研發(fā)藥物方面,量子計算機能夠描繪出數(shù)以萬億計的分子組成,并將其中最可能有效的組合快速識別出,顯著降低藥物的研發(fā)成本和周期。
在探索太空方面,量子計算機可以處理望遠鏡視野中更多的數(shù)據(jù),從而發(fā)現(xiàn)更多的行星,并迅速識別出最有可能存有生命體的行星。
盡管實現(xiàn)這些應用還有很長的路要走,但各大公司對量子計算機的研究絕不會停止,因為它能顛覆整個世界。一旦計算速度出現(xiàn)質的飛越,我們生活的方方面面都會被改變。
“落地”仍面臨諸多難題
既然量子計算機已經(jīng)研制成功,那為什么現(xiàn)在還沒有普及呢?因為,它的運行條件要符合三個條件:真空環(huán)境、絕對零度和磁場保護。
量子力學是研究微觀尺度的科學,要想控制計算機的量子位,其實就是需要操縱單個原子,因此條件是非??量?。原子在常溫下的速度高達到數(shù)百米每秒,只有讓原子保持在極低的溫度狀態(tài),才能受控制。所以量子計算機D-Wave2X處理器溫度一直穩(wěn)定在-273℃,只比宇宙絕對零度高0.015℃而已。
除此之外,量子計算機還要放到比地球磁場弱50000倍(基本相當于沒有磁場)、大氣壓比地球小100億倍(基本相當于真空)的環(huán)境中,以保持量子態(tài)的穩(wěn)定。
除了對環(huán)境要求嚴格,量子計算機在實際落地推廣方面也會遇到一些障礙。由于量子計算機的計算方法完全不同,因此編程的方式也完全不同并且更加復雜。這意味著,對于程序員來說,要掌握一套比現(xiàn)有算法更為復雜的編程方式。
當然,計算機還有許多需要克服的技術問題,比如量子的不穩(wěn)定性決定信息狀態(tài)不穩(wěn)定,這將影響到計算的準確性。
事實上,實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實太困難,但這并不能妨礙人們進行大膽地探索與設想,也許不久的將來量子計算機就會出現(xiàn)在我們的生活中。
科學家嘗試用量子計算機創(chuàng)造時間旅行
據(jù)國外媒體報道,如果宇宙允許開放類時曲線,那么旅行者就不可以通過時間旅行回到某個時間點上,這樣的曲線無法與過去產(chǎn)生任何相互作用。目前科學家試圖利用量子信息驗證這樣的能力,事實證明一個未打開的消息是非常有用的。如果實驗者發(fā)送過去實驗室的糾纏信息,未來是否能夠收到?糾纏是一個奇怪的現(xiàn)象,只在量子物理學領域出現(xiàn),它創(chuàng)造了時間旅行各系統(tǒng)之間的相關性,這些相關性可幫助量子計算。
谷歌的研究人員戴維·培根在10年前就提出可以利用量子計算機快速解決一批問題,廣義相對論可以通過時空扭曲創(chuàng)造封閉類時曲線,比如蟲洞。但物理學家認為必須停止這樣的機會出現(xiàn)的,因為這會威脅到因果關系。一個經(jīng)典的例子是,一個人可以回到過去,殺死自己的祖父,否定自己的存在。
在過去的二十年內,研究人員已經(jīng)在量子物理學領域嘗試著打破封閉類時曲線,因為量子具有模糊性和不可克隆定理。新的研究表明,量子計算機可以解決這類問題,即使我們沿著開發(fā)的類時曲線,也不會產(chǎn)生因果關系,這樣可以避免諸如祖父悖論情況出現(xiàn)。
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