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量子计算,将是下一轮科技革命的新起点?丨亿欧问答

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亿欧
张伟超
2020-01-08 · 14:25
[ 亿欧导读 ] ​​“遇事不决,量子力学。”这句话或许是调侃,但不可否认的是,量子学确确实实是人类突破当前科技瓶颈的重要方向之一。
量子计算,量子计算,量子力学,摩尔定律,信息技术,谷歌,IBM 图片来自“123RF”

“遇事不决,量子力学完美彩票_[官网首页]。”

是近年来科学界有趣的流行语。完美彩票_[官网首页]似乎量子学可以“解决”当下所有无法解释的问题。这句话或许是调侃,但不可否认的是,量子学确确实实是人类突破当前科技瓶颈的重要方向之一。 

提到量子学以及量子计算,就不得不从量子开始说起。 

量子是现代物理的重要概念,即一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子,代表“相当数量的某物质完美彩票_[官网首页]”。它最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出。 

量子学则是研究微观粒子运动规律的学科,是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的结构和性质的基本理论。 

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。 

打破摩尔定律,量子计算带来新曙光 

随着摩尔定律的失效,传统计算机的算力已接近顶峰。算力停滞不前,导致需要高算力应用的行业停滞不前,这必然会成为科技进步的重大阻碍,而量子计算带来的超大算力则成为新的曙光。 

完美彩票_[官网首页]量子计算机的工作方式与传统计算机有着根本上的不同。超级计算机和量子计算机的关键区别在于它们存储信息的方式,超级计算机和任何传统计算机一样,是二进制位的,处理的是1和0的问题。 

传统计算机每比特非0即1,而在量子计算机中,量子比特可以处于既是0又是1的量子叠加态,这使得量子计算机具备传统计算机无法想象的超级算力。不过,这并不意味着量子比特可以像薛定谔的猫一样,同时是两个相互矛盾的东西——既是活的又是死的,或者既是0又是1。 

完美彩票_[官网首页]理论上,当量子比特“不可避免地”连结在一起时,物理学家可以利用它们波状量子态之间的干扰来进行计算。不通过这种方式,相关计算可能要花费数百万年的时间。例如,一台 10 量子位量子计算机可以一次处理 210 或 1024 个可能的输入。   

量子计算机的处理能力理论上是无限的。量子计算能让众多产业的构想成为现实,例如真正的实现自动驾驶以及人工智能。 

目前全球主流国家及大公司都在积极的进行量子计算的研究,以期望自己能率先实现“量子霸权(quantum supremacy)”。 

2012年,美国加州理工学院理论物理学家John Preskill提出了“量子霸权”这一概念,完美彩票_[官网首页]指量子计算机可以做到经典计算机实现不了的事。 

此后,“量子霸权”长期被用于描述量子计算机发展的关键节点,指量子计算机能解决传统计算机无法解决的复杂难题,也就是展现量子优越性。而这是量子计算机距离实际运用的关键一步。其中,一个常被当作量子霸权的重要指标是量子比特 (Qubit) 数量,有学者认为,大概 50 个量子比特左右,量子计算机就能达到“量子霸权”。 

19年10月,谷歌宣布自己完成“量子霸权”,不过随后被IBM完美彩票_[官网首页]否认。但谷歌发表的成果可以帮助人们更好地了解,人类目前离通用型量子技术还有多远。 

五十年发展不易,量子计算到来仍需时间 

量子计算的研究兴起于20世纪70年代,针对计算机的热耗效应,阿岗国家实验室的Benoiff认为只要消除计算过程中的不可逆操作,就不存在计算的能耗下限,于是人们提出不可逆计算机的概念。Benoiff最先提出了一个基于量子力学的可逆计算机模型。 

1982年,加州理工学院物理学教授、诺贝尔奖获得者Feynman指出,量子计算机可以用来模拟量子多体系统的演化,而这一任务是经典计算机做不到的。1985年,牛津大学教授Deutsch建立了量子图灵机的模型。 

1995年,物理学家第一次提出了量子比特信息学上的概念,并创造了“量子比特”(qubit)的说法。 

2001年,IBM利用核磁共振技术激活7枚核自旋体使其成为量子比特,在成功运行了上兆次之后,终于成功地将15质数分解为3×5,量子计算机第一次将使得量子计算变成了现实——整整10年之后,中国的科学家利用4个量子比特实现了分解143。 

2005年,人们成功地在粒子阱中控制住了8个量子比特,到了2010年,人们已经可以在粒子阱中制造出14个处于纠缠态的量子比特。 

此后,量子计算变的可应用,在应用方面,2011年D-Wave推出了运行128位的一体量子计算机D-WaveOne,这被认为是世界上第一台商用化的量子计算机系统。2012年,D-Wave推出了512位量子计算机D-WaveTwo。2015年,D-Wave发布了基于chimeragraph架构的新一代1152位量子计算机系统D-Wave2X。 

虽然量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机,但仍然存在很多障碍

大规模量子计算所存在重要的问题是,如何长时间地保持足够多的量子比特的量子相干性,同时又能够在这个时间段之内做出足够多的具有超高精度的量子逻辑操作。 

量子计算需要让所有的量子位都持续处于一种“相干态”,而这并不是一件简单的事。 

目前“相干态”仅能维持几分之一秒,而随着量子比特的数量以及与环境相互作用的可能性的增加,这个挑战将变得越来越大。 

量子计算难以被实现的第二个主要原因,是它像大自然中其它所有的过程一样,存在“杂音”。虽然在经典计算中也存在这个问题,但在经典计算中处理它们只需保留每个计算位的两个或多个副本,以便检查。 

虽然研究人员目前已经制定了如何在量子计算中处理这类噪声的策略,但目前的这些处理方法会大幅增加计算成本——所有的计算能力都被用来纠错,而不是运行算法。 

第三个主要原因源于量子系统的另一个关键性质,如果不测量,叠加态就会一直维持下去。如果你做了一次测量,量子位的叠加态就会坍缩至一个确定的结果:1 或 0。所以,我们不知道一个量子位是到底代表的是1还是0。如果需要测量,就需要更多的量子位。 

虽然困难重重,但可以确定的是,量子计算,将是下一轮科技革命的新起点。 

量子计算结合了过去半个世纪以来两个最大的技术变革:信息技术和量子力学。如果我们使用量子力学的规则替换二进制逻辑来计算,某些难以攻克的计算任务将得到解决。 

量子计算的概念正在激励新一代物理学家、工程师和计算机科学家,从根本上改变信息技术的格局。未来量子计算的进步,将会是科技的进步,也是人类的进步。

编辑:唐钰婷

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