量子计算机到底有多强大?

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· 6月22日

量子计算机是信息技术领域的下一次革命。

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量子计算机到底有多强大?

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图片来源@视觉中国

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钛媒体注:本文作者 | 杜明 (瑞士日内瓦大学科学系博士后),钛媒体经授权发布。  

近年来,量子计算机领域频频传来重要进展;量子计算机已成为引发激烈角逐的科技前沿项目之一,相关竞争有愈演愈烈之势。量子计算机到底有多强大?下面我们就来简要谈谈它的研究进展尤其强大之处。

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机,其特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。传统计算机曾推动我们进入信息化和数字化时代,而量子计算机则将推动我们进入下一个新的信息时代。可以说,量子计算机是下一轮工业革命的引擎。

简单地说,量子计算机是一种可以实现量子计算的机器,是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算,处理和储存信息能力的系统。它以量子态为记忆单元和信息储存形式,以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算,在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。量子计算机是一个物理系统,它能存储和处理关于量子力学变量的信息。

1982年,美国物理学家理查德·费曼先生在一个公开的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的新奇想法。紧接其后,英国物理学家戴卫·杜斯先生于1985年提出了量子图灵机模型。人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。当使用计算机模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间而数据量也变得庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字。费曼先生当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可以大幅度减少,从而量子计算机的概念诞生了。

90 年代,实验技术和理论模型的进步为量子计算机的实现提供了可能。尤其值得一提的是,1994 年美国科学家皮特·休尔先生证明运用量子计算机竟然能有效地进行大数的因式分解。这意味着以大数因式分解算法为依据的电子银行、网络等领域的 RSA 公开密钥密码体系在量子计算机面前不堪一击,几年后美国计算机专家洛弗•格罗弗先生提出“量子搜寻算法”,可以破译 DES 密码体系。于是许多发达国家纷纷投入大量的资金和科研力量进行量子计算机的研制,如今这一领域已经形成一门新型学科——量子信息学;而量子信息学是量子力学和信息论结合的产物。

1996年初,中国科学家及未来学家周海中先生在一个名为“信息时代的计算技术”的学术讲座中指出:“智能计算和量子计算在信息时代有着重要的价值和意义,它们将成为21世纪两大计算技术。”就目前情况看,智能计算已成为现实,而量子计算将得以证实。众所周知,经典计算机(即传统的电子计算机)是通过电路的开和关进行计算,而量子计算机则以量子的状态作为计算形式。目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统,不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子。

量子计算机的主要原理就是利用了量子态的叠加性和纠缠性。比特作为计算的基本信息处理单元,具有0和1两种逻辑态,且在经典计算模式只能处于0或1的一种,而量子比特却能够处于0和1的叠加态。当计算机有n个存储器时,传统计算模式每操作一次只能变化一个数据,而量子计算模式每操作一次则变化了2^n个数据,量子计算的数据处理能力是传统模式的2^n倍。当n足够大时,量子计算的优势将十分明显。

从可计算的问题来看,量子计算机只能解决经典计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态,从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。因此,量子计算领域近年异常热闹,许多科研机构都进军该领域。有关专家预言,量子计算机将在人工智能、分子模型、金融模型、天气预报、密码演算学和粒子物理学方面得以广泛应用。

2019年10月,美国谷歌公司的研究人员声称,基于一个包含54个量子比特的量子芯片开发了量子计算系统,它花费约200秒完成的任务,而传统超级计算机要1万年才能完成。另外该公司的研究人员最近借助量子计算机,首次成功模拟了一个化学反应。前不久,中国科学技术大学的研究团队成功构建了76个光子的量子计算原型机“九章”,求解数学算法高斯玻色取样只需200秒,而目前世界最快的超级计算机要用6亿年。

从美国IBM公司的127量子比特超导量子处理器到加拿大量子计算初创公司Xanadu的光量子处理器,近半年来,全球量子计算硬件团队继续朝着百万量子比特的目标前进。由于光子和中性原子体系突飞猛进,美国芝加哥大学实现了包含512个原子的中性原子阵列,Xanadu通过216模式的光量子计算机探测到了219个光子。过去认为这些体系无法满足通用性和可编程性,但最新的研究表明,光子和中性原子是可以实现通用量子计算机的。

日本信息通信技术公司(ICT)富士通日前宣布已成功开发出世界上速度最快的模拟量子计算机,包含36个量子位,可以实现相当于其他量子模拟器的两倍性能;另外,富士通还开发了一种新方法,根据量子电路的进度和计算结果,重新排列分布式内存中的量子位状态,有助于降低通信成本。有关专家指出:这种新型的模拟量子计算机将成为发展量子计算应用的重要桥梁。

建造量子计算机最大的困难在于量子系统非常脆弱,容易发生退相干:由于误差的不断积累,量子性丢失,成为经典态。怎样控制误差也成为量子计算成功与否的关健。目前有两种思路:一是计算过程中随时纠错,二是依靠特殊材料能够不受某些误差的破坏。据专家预测,到2030年量子计算机将扩展到50个量子位,届时将实现量子霸权,即专用型量子计算机针对特定问题的计算能力超越经典超级计算机。

量子计算机拥有强大的量子信息处理能力,对于目前海量的信息,能够从中提取有效的信息进行加工处理使之成为新的有用的信息。由于量子计算机在并行运算上的强大能力,使它有能力快速完成传统计算机无法完成的计算;这种优势在加密和破译等领域有着巨大的应用。另外由于量子计算机理论上具有模拟任意自然系统的能力,同时也是发展高新技术,尤其是人工智能的关键。因此可见量子计算机是信息技术领域的下一次革命。

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  • 多强大,非常强大,强大到一般人想象不出来

    2022-06-22 10:40 via pc
  • 遇事不决,量子力学

    2022-06-22 10:20 via android
  • 回复

    超级计算机,信息技术领域下一次革命

    2022-06-22 09:59 via iphone

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