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解读:颠覆常识的量子计算到底是什么?

2018-01-19 09:53 来源:网络整理 编辑:Janet

量子计算的潜力有多大?传统计算用尽洪荒之力几十年才能解决的数据问题,量子计算可能只需要1秒就可以搞定。

中国科学技术大学潘建伟与陆朝阳课题组于2017年成功研制出世界首台超越早期传统计算机的量子计算机。也正是看到了这样的“洪荒之力”,各大巨头开始入局量子计算。2017年底,IBM称已成功研制出50个量子比特的量子计算处理器样机。据报道,谷歌正在研究49个量子比特的芯片,英特尔、微软也加大了对量子计算的投入。

量子计算的基本原理

量子计算是一种基于量子效应的新型计算方式。基本原理是以量子位作为信息编码和存储的基本单元,通过大量量子位的受控演化来完成计算任务。

所谓量子位就是一个具有两个量子态的物理系统,如光子的两个偏振态、电子的两个自旋态、离子(原子)的两个能级等都可构成量子位的两个状态——晶体管只有开/关状态,也就是要么是0状态,要么是1状态;而基于量子叠加性原理,一个量子位可以同时处于0状态和1状态,当量子系统的状态变化时,叠加的各个状态都可以发生变化。

举例来说,因为1个量子位同时表示0和1两个状态,2个这样的量子态就可以同时表示4个状态。N个量子位可同时存储2的二次方N个数据,数据量随N呈指数增长。同时,量子计算机操作一次可同时对2的二次方N数据实现变换,这种并行处理数据的能力等效于电子计算机要进行2的二次方N次方操作的效果......等于是一次演化相当完成了2的N次方个数据的并行处理,这就是量子计算机相对于经典计算机的优势。

关于这一点,IBM 研究员 David Gosset 的解释是目前最受认可的说法。与经典计算一样,您需要一个能够体现问题解决方法的指令集(即算法),还需要一个可以执行这些指令的机器(即计算机)。实际上,量子计算机能够构建叠加、纠缠及其他量子效应,因此我们编写算法的方式与经典计算机完全不同。

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量子计算机的外形是什么样的?

哈佛大学教授Lukin曾介绍说,如果你走进一个带有量子机器的房间,你会看到一个真空室或导管,以及一束照射到它的激光,而且在本体里面有一个很低密度的特定的原子。我们使用激光来减缓非常接近能量绝对值为零的原子运动,这就是所谓的激光冷却。

哈佛大学Lukin实验室

哈佛大学Lukin实验室

量子将如何改变我们的生活?

有人说,从电子计算机飞跃到量子计算机,无论生产、科研还是日常生活,世界将会经历一场颠覆性改变。

“10年内,超导量子操纵有可能做到100个粒子。到那时,它对某些特定问题的计算能力就可以达到目前全世界所有计算能力之和的100万倍,计算能力将会突飞猛进。”中国科学技术大学潘建伟院士说,此外量子计算机能耗更低。

专家认为,计算能力极限的大幅提升,意味着量子计算机可以分析更多数据。比如,实现精准的天气预报,躲避飓风海啸;计算优化的出行线路,让城市减少堵车;识别有效的分子组合,降低药物的研发成本和周期;甚至可以用于探索太空,较快辨别可能存有生命体的行星。

潘建伟说,量子通信可以从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的安全性,从根本上解决信息安全问题。目前,量子保密通信已逐步进入产业化阶段,成为未来保障信息安全的“护卫舰”。到2030年,或许人人家里都有一个“密钥机”;新的量子材料可以改变电池技术,成百倍地扩大电池容量……面对变幻莫测的量子世界,从“被动观测”迈入“主动调控”,人们期待着量子科技开启更美好的未来。

标签: 量子计算

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