颠覆常识的量子计算,究竟有多神奇?

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经典计算机需要100年才能破译的密码,量子计算机用1秒钟就能搞定。
 
我国科学家也加快了研发步伐,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。

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“量子计算力”正缓缓袭来。
 
“量子计算将成为第四次工业革命的引擎。”近日,中国科学院物理研究所研究员、北京凝聚态国家实验室常务副主任和首席科学家丁洪在接受科技日报记者采访时表示,就像1947年诞生的三极管一样,量子计算或成为下一代颠覆性技术。
 
不明觉厉”的量子计算到底是什么呢?
 
突破传统计算瓶颈
从1970年到2005年,计算机的发展正如摩尔定律预测的一样,每隔18个月,集成电路上可容纳的元器件数目约增加一倍,计算机的计算性能也提升一倍。
 
“但2005年以后这种趋势就开始放缓。”丁洪介绍,目前晶体管已进入了纳米尺度时代,摩尔定律逐渐失效。
 
计算机发展的瓶颈主要有两个。首先,随着晶体管体积不断缩小,计算机可容纳的元器件数量越来越多,产生的热量也随之增多。其次,随着元器件体积变小,电子会穿过元器件,发生量子隧穿效应,这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。
 
什么是隧穿效应?丁洪打了一个比方。“就像穿墙术一样。在宏观世界,跳高运动员如遇到障碍,可以自己跳过去。但在量子世界,不需要这么高超的技巧。遇到障碍,可以穿过去。只不过,物质本身要足够小,障碍要足够薄。”他说。
 
量子计算机的出现,巧妙地解决了计算机发展的瓶颈问题。丁洪说,从原理来看,量子计算机是可逆计算机,不会丢失信息。经典计算机则是不可逆计算机,不可逆计算过程中每个比特的操作都会有热损耗。
 
“但量子计算机不会取代经典计算机。”丁洪说,两者的应用对象不同,互为补充,它们的关系就像白炽灯和激光一样。白炽灯和激光都能发光,具有相关性,但我们并不用激光替代白炽灯去照明,量子计算机也是如此的。
 
颠覆常识的量子世界
量子物理看似高冷,却早已走进我们的生活,像手机、计算机、LED等都用到了量子物理相关技术。“原子、光子、电子都是量子。”丁洪说,量子是构成物质的基本单元,是能量的最基本携带者。量子叠加和量子纠缠是量子物理区别于经典物理的地方。
 
什么是量子叠加?丁洪举了个例子,在经典物理中,从宏观角度来看,任何物质的“态”都是确定的。比如,将一本书放在桌子上,不是正面就是反面。在量子世界中,书却可以是正面的也可以是反面的,成为一个不确定的叠加态。
 
同样,电子自旋也有叠加态。电子的自旋,方向可能是向上,也可能是向下。它的叠加态就是一半向上一半向下,是不确定的。
 
过去,人们一直没发现其中的问题,直到提出“薛定谔的猫”这一实验。薛定谔提出设计一个实验,在笼子里放一只猫,里面放置一个毒气瓶。装置里有一个开关,用电子的自旋状态去控制。如果它自旋向上就会将开关打开,放出毒气毒死猫;如果自旋向下,猫就是安全的。
 
那么问题来了,如果电子处于叠加态,猫是死是活?答案是:猫一半是活的,一半是死的。
 
量子纠缠则更为玄妙。两个纠缠的粒子,不管距离多远,对其中一个粒子进行观测就会即时影响到其它粒子。“量子纠缠就像在量子世界打了一个虫洞。”说到如何理解量子纠缠,丁洪用电影《星际穿越》中的虫洞打了个比方。
 
拥有指数级计算能力
中国科学院郭光灿院士曾这样解释量子计算机的计算能力。他说,量子比特可以制备两个逻辑态0和1的相干叠加态,换句话讲,它可以同时存储0和1。考虑一个N个物理比特的存储器,若它是经典存储器,则它只能存储2N个可能数据当中的某一个;若它是量子存储器,则它可同时存储2N个数据。而且随着N的增加,其存储信息的能力将呈指数级上升。
 
关于指数级增长的威力,丁洪讲了一个故事。在古代印度,一位老人带着他发明的国际象棋去见国王。国王非常高兴,决定赏赐他东西。老人却表示,国王无法满足自己的要求。老人的愿望是什么?
 
在棋盘的第一格上放1粒小麦,第二格上放2粒小麦,第三格上放4粒,第四格上放8粒……一直到第六十四格为止。结果却发现,这是个天文数字。
 
为了开发量子计算机强大的并行计算能力,上世纪90年代科学家们提出了无序数据库搜索和大数因子分解两种算法。
 
发展势头迅猛
量子计算不仅可应用于人工智能领域,提升机器学习效率,还能应对复杂情况,如实现天气的精准预测。生活中的诸多不便如交通拥堵,也能依靠其算法解决。
 
“(量子计算)发展非常迅速。”丁洪说,以前普遍认为量子计算机是三、五十年之后才能出现的。按照现在的发展速度,可能三五年后就会出现。
 
目前谷歌、微软、英特尔、IBM、阿里巴巴等国际巨头都积极参与到量子计算机的研究中。2017年12月13日,IBM宣布将与三星、摩根大通和巴克莱银行等12家主要公司合作,共同开发商用量子计算。
 
为加速进入量子计算机阵营,各国政府也是“不惜血本”。2013年到2015年的财政预算显示,欧盟在该领域的投入达48亿元,美国投入31.5亿元用于量子计算机的研发,我国也投入19亿元推进量子领域的发展。目前我国正在筹建量子信息科学国家实验室,一期建设用地810亩,一期总投资70亿元。

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