行业资讯丨什么是量子计算?虽然他离我们的生活很远,但意义重大

2020-06-03 09:27:08 朱明劲 0

计算机越小,它们似乎变得越强大:21世纪手机具有更多的数字处理能力,远比我们50年前在一个房间大小的计算机强大的多。然而,尽管取得了如此惊人的进步,但仍然存在许多即使是世界上功能最强大的计算机也无法解决的复杂问题,并且不能保证我们将能够解决这些问题。

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一个问题是,计算机的基本开关和存储单元(称为晶体管)正接近它们将很快变得像单个原子一样小的地步。如果我们想要的计算机比今天的计算机更小巧,功能更强大,我们将很快需要以一种截然不同的方式进行计算。进入原子领域,以量子计算的形式开启了强大的新可能性,其处理器的工作速度可能比今天使用的处理器快数百万倍。听起来很神奇,但是麻烦的是,量子计算比传统计算复杂得多。那么,什么是量子计算及其工作原理?让我们仔细看看!

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阅读步骤

什么是常规计算?什么是量子计算?量子+计算=量子计算量子计算机在现实中会是什么样?量子计算机能做普通计算机不能做的事情?为什么制造量子计算机如此困难?量子计算机有多远?

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照片:量子计算意味着使用单个原子,离子,电子或光子存储和处理信息。从好的方面来说,这为更快的计算机提供了可能性,但是缺点是设计可以在怪异的量子物理学世界中运行的计算机的复杂性更高。

一、什么是常规计算?

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你可能会想到把计算机放在大腿上或者躺在床上用手机发送消息,网上购物,看电影,或者玩一个游戏。这就相当于一个非常基本的“计算机”,它遵循一组预先安排的称为程序的指令 ,再简化一点就好比一个计算器。

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照片:这就是典型无线电电路板上的一个晶体管的样子。在计算机中,晶体管要比这小得多,并且将数百万个晶体管一起封装到微芯片上。

常规计算机有两个技巧,它们确实表现出色:它们可以将数字存储在内存中,并且可以通过简单的数学运算(例如加法和减法)来处理存储的数字。他们可以通过将简单的操作组合到一系列称为算法的操作中来做更复杂的事情(例如,可以通过一系列加法来完成乘法运算)。

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计算机的两个关键因素(存储和处理)都是使用称为晶体管的开关完成的,就像墙上的开关一样,用于开灯和关灯。晶体管可以打开或关闭,就像灯光可以点亮或熄灭一样。

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如果打开,我们可以使用晶体管来存储数字(1);如果关闭,它将存储数字量(0)。使用基于二进制的代码,可以使用一长串的一和零来存储任何数字,字母或符号(因此,计算机将大写字母A存储为1000001,将小写字母A存储为01100001)。每个零或一称为二进制数字(或bit),并且由八位字符串组成,我们可以存储255个不同的字符(例如AZ,az,0-9和最常见的符号)。计算机使用称为逻辑门的电路进行计算由多个连接在一起的晶体管制成。逻辑门比较存储在称为寄存器的临时存储器中的位的模式,然后将它们转换为新的位模式,这在计算机上相当于我们的人脑所说的加,减或乘。从物理上讲,执行特定计算的算法采用由多个逻辑门组成的电子电路的形式,一个门的输出作为下一个输入的开始。

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常规计算机的问题在于它们依赖于常规晶体管。如果我们回顾过去几十年来在电子领域取得的惊人进步,这听起来似乎不成问题。早在1947年,晶体管被发明时,它所取代的开关(称为真空管)就和我们的拇指一样大。现在,最先进的微处理器(单芯片计算机)将数亿个(最多 300亿个)晶体管封装在指甲大小的硅芯片上!像这样的芯片,称为集成电路,是令人难以置信的微型化壮举。早在1960年,英特尔联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)意识到,计算机的功能大约翻了18个月,就翻了一番,并且此后一直如此。这种明显不可动摇的趋势被称为摩尔定律

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照片:这种存储芯片包含一个集成电路,可以存储512 MB的数据。这大约是5亿个字符(准确地说是536,870,912个字符),每个字符都需要八个二进制数字-因此,我们说的是封装在一个这样大小的区域中的总共40亿个(40亿个)晶体管。

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听起来确实如此,但确实没有抓住重点。我们需要存储的信息越多,二进制和数字1和0以及晶体管的数量就越多。由于大多数传统计算机一次只能执行一项操作,因此您希望他们解决的问题越复杂,他们需要执行的步骤就越多,并且需要做的时间就越长。一些计算问题非常复杂,以至于它们需要比任何现代机器都无法提供的更多的计算能力和时间。

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随着摩尔定律的发展,棘手问题的数量减少了:计算机变得越来越强大,我们可以用它们做更多的事情。问题在于,晶体管的尺寸要尽可能地小:我们正在接近物理学定律似乎可以阻止摩尔定律的脚步。不幸的是,仍然存在无法解决的计算难题,因为即使是功能最强大的计算机也很难解决。这就是人们现在对量子计算感兴趣的原因之一。

二、什么是量子计算?

量子理论是物理学的一个分支,涉及原子及其内部较小(亚原子)粒子的世界 。

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我们可能会认为原子的行为与世界上所有事物的行为一样,只是它们的行为比较微观而已,但这不是事实:在原子尺度上,规则发生变化,而我们每天都理所当然的认为物理学的“经典”定律在周而复始的运动。正如20世纪最伟大的物理学家之一理查德·费曼(Richard P. Feynman)曾经说过的那样:“在很小的范围内,事物的行为就像您没有任何直接的经验……或您所见过的任何事物。” (《量子电动力学讲义》,p116。)

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如果你学习过光的物理知识,您可能已经对量子理论有所了解。你可能知道,一束光束有时表现得好像是由粒子组成的,有时看起来就像是能量波在太空中荡漾。这就是所谓的波粒对偶性 ,它是量子理论中带给我们的想法之一。很难一眼就能将事物同时变成两个事物(粒子和波浪),因为它与我们的日常体验完全不同:汽车不能代表自行车和公共汽车。然而,在量子理论中,这只是可能疯狂发生的事情。

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但这一切与计算机有什么关系?假设我们继续推动摩尔定律,一直使晶体管更小,直到它们达到不遵循普通的物理定律(例如老式晶体管),而是遵循更奇怪的量子力学定律的程度。问题是,以这种方式设计的计算机是否可以完成我们常规计算机无法完成的工作。如果我们可以通过数学方式预测它们的作用,那么我们是否可以使它们切切实实的遵循现有计算机的逻辑工作?

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人们几十年来一直在问这些问题。首先是IBM研究物理学家Rolf Landauer和Charles H. Bennett。兰道尔(Landauer)在1960年代提出了量子计算之门,当时他提出信息是可以根据物理学定律进行操纵的物理实体。

这样做的一个重要后果是,计算机浪费了对其内部位进行操纵的能量(这部分是计算机耗费如此多的热量而使其变得发热最后散发掉)。Bennett在1970年代基于Landauer的工作,展示了计算机如何通过以“可逆”方式工作来解决这个问题,这意味着量子计算机可以在不使用大量能量的情况下进行大规模复杂的计算。

1981年,来自阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的物理学家保罗·贝尼奥夫(Paul Benioff)试图设想一种基本的机器,该机器的工作原理与普通计算机类似,但符合量子物理学的原理。

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第二年,理查德·费曼(Richard Feynman)粗略地勾勒出使用量子原理的机器如何进行基本计算。几年后,牛津大学的戴维(David Deutsch)(量子计算的领军人物之一)更详细地概述了量子计算机的理论基础。这些伟大的科学家如何想象量子计算机可能起作用?

三、量子+计算=量子计算

普通计算机的关键功能(位,寄存器,逻辑门,算法等)在量子计算机中具有类似的功能。量子计算机具有量子位,它们以特别有趣的方式工作。当一个位可以存储0或1时,一个qubit可以存储0和1,或者其他之间存在无限数量的值,并且可以同时处于多个状态(存储多个值) !如果这听起来令人困惑,请回想一下光是粒子和 波浪,薛定谔的猫是活着还是死了?

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考虑数字位存储的一种较温和的方法是通过叠加的物理概念 (其中两个波加在一起,使第三个波包含两个原件)。如果您吹奏长笛之类的东西,管道会充满驻波:由基本频率和许多泛音或谐波组成的波。管道内的波浪同时包含所有这些波浪:将它们加在一起以组成包括所有波浪的组合波浪。量子位使用叠加以相似的方式同时表示多个状态(多个数值)。

正如量子计算机可以一次存储多个数字一样,它可以同时处理它们。并可以一次执行多项操作,而不是串行工作(一次执行一系列操作)。通过对其进行测量,量子计算机并行工作的能力将使其比任何常规计算机快数百万倍……如果我们能制造的话!那么我们该怎么做呢?

四、量子计算机在现实中会是什么样?

实际上,量子位必须存储在原子,离子(电子太多或太少的原子)或较小的事物【例如电子和光子(能量包)】中,因此量子计算机几乎就像台式机一样。他们在费米实验室(Fermilab)或欧洲核子研究组织(CERN)进行的那种粒子物理实验的版本。现在我们不再需要将粒子围绕在巨型环上,将它们粉碎在一起,而是需要一种机制来包含原子,离子或亚原子粒子,将其置于特定状态(以便我们可以存储信息),将其置于其他状态(这样您就可以使他们处理信息)。

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图片:单个原子或离子可以被捕获在光学腔(反射镜之间的空间)中,并由来自激光束的精确脉冲控制。

实际上,使用激光束,电磁场,无线电波和多种其他技术,有很多包含原子并改变其状态的方法 。一种方法是使用量子点制作量子位, 量子点是半导体的纳米级微小粒子,在其中可以控制各个电荷载流子,电子和空穴(缺少电子)。另一种方法是从所谓的离子阱中产生量子位:从原子中添加或带走电子以形成离子,将其在一种激光聚光灯下保持稳定,然后将其翻转为不同的状态激光脉冲。

在另一种技术中,量子位是光腔(极小的反射镜之间的空间)内的光子。如果你不了解,请不要担心。很少有人这样做。由于量子计算的整个领域仍在很大程度上是抽象的和理论上的,因此我们唯一需要知道的是,量子位是由原子或其他可以存在于不同状态的量子级粒子存储的,并且可以在它们之间进行切换。

五、量子计算机能做普通计算机不能做的事情?

尽管人们通常认为量子计算机必须比传统计算机更好,但是这并不确定。到目前为止,我们可以肯定地知道,量子计算机比普通计算机能做的更好的唯一事情就是分解:找到两个未知素数,这些素数相乘后得到第三个已知数。

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1994年,数学家彼得·索尔在贝尔实验室工作时,演示了一种量子计算机可以遵循的算法,该算法可以找到大量的“素数”,从而极大地加快了这一问题的速度。Shor的算法确实激起了对量子计算的兴趣,因为几乎每台现代计算机(以及每台安全的在线购物和银行网站)都使用公钥这种加密技术基于不可能迅速找到主要因素的虚拟可能性。如果量子计算机确实可以迅速分解大量数据,那么当今的在线安全性将过时。但是到处都是,一些研究人员相信量子技术将导致更强大的加密形式。(2017年,我国研究人员首次展示了 如何使用量子加密技术从北京到维也纳进行非常安全的视频通话。)


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这是否意味着量子计算机比传统计算机更好?不完全是。除了Shor算法和称为Grover算法的搜索方法外,几乎没有发现其他任何量子方法可以更好地实现的算法。只要有足够的时间和计算能力,常规计算机最终仍将能够解决量子计算机可以解决的任何问题。换句话说,有待证明量子计算机通常优于常规计算机 ,特别是考虑到实际制造它们的困难。谁知道传统计算机在未来50年内将如何发展,可能使量子计算机的想法变得无关紧要,甚至变得荒谬。

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照片:量子点可能是最著名的彩色纳米级晶体,但它们也可以用作量子计算机中的量子位。图片由阿贡国家实验室提供。

六、为什么制造量子计算机如此困难?

我们拥有数十年的使用常规架构构建基于晶体管的普通计算机的经验;建立量子机器意味着从下至上彻底改造计算机的整个概念。首先,存在制作量子位,非常精确地控制量子位以及使它们足够做真正有用的事情的实际困难。

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其次,量子系统固有的误差存在一个主要困难,即技术上称为“噪声”的噪声,这会严重损害量子计算机可能进行的任何计算。

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有很多解决方法(“量子错误校正”),但是它们带来了更多的复杂性。还存在一个基本问题,即如何将数据进出量子计算机,这本身就是一个复杂的计算问题。一些科学家相信这些问题是无法克服的;其他人承认这些问题,但认为量子计划太重要了,无法放弃。

七、量子计算机有多远?

量子计算机首次提出后的三十年,基本上仍然是理论上的。即便如此,在实现量子机器方面仍取得了令人鼓舞的进展。2000年取得了两个令人印象深刻的突破。首先MIT教授,(在IBM的Almaden研究中心工作)使用五个氟原子制造了一个粗糙的五比特量子计算机。同年,洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员想出了如何用一滴液体制造一个七比特的机器。五年后,因斯布鲁克大学的研究人员增加了一个额外的量子比特,并生产出了第一台可以操纵一个量子字节(八个量子比特)的量子计算机。

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这些是初步但重要的第一步。在接下来的几年中,研究人员宣布了更多雄心勃勃的实验,逐渐增加了更多的量子位。到2011年,加拿大的一家开创性公司D-Wave Systems 在《自然》杂志上宣布已生产128量子比特的机器;该公告被证明极具争议性 ,关于该公司的机器是否真的表现出量子行为,存在很多争议。

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三年后,谷歌宣布将雇用一组学者(包括加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的物理学家约翰·马丁尼斯)来开发基于D-Wave方法的量子计算机。2015年3月,Google团队 宣布它们“向量子计算迈出了一步”,为量子比特开发了一种检测并防止错误的新方法。2016年,麻省理工学院的艾萨克·庄(Isaac Chuang)和因斯布鲁克大学的科学家 推出了一种五量子位离子阱量子计算机,该计算机可以计算15的因子;未来,该计算机的放大版本可能会演变为久负盛名的完全成熟的加密破坏者。

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毫无疑问,这些都是非常重要的进步。越来越多的迹象表明,量子技术将最终带来计算革命,这一点越来越令人鼓舞。2017年12月,微软推出了完整的 量子开发套件,包括专门为量子应用开发的新计算机语言Q#。在2018年初,D-wave 宣布了计划开始将量子能力推广到云计算平台的计划。几周后,谷歌发布了Bristlecone,这是一种基于72量子位阵列的量子处理器,有朝一日可能会成为解决现实世界问题的量子计算机的基石。Google在2019年10月 宣布它达到了另一个里程碑:“量子至高无上”的实现。

一件事是无可争议的:量子计算非常令人兴奋!即便如此,这对于整个领域来说还处于初期,大多数研究人员都认为,我们不太可能看到实用的量子计算机出现几年甚至更可能是几十年。有影响力的科学研究机构、医学和工程学院在2018年12月的报告中得出的结论是:“现在尚无法预测实用量子计算机的时间范围”,并且“在达到这个里程碑之前还有许多技术挑战仍有待解决。”

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