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量子计算机研发20年黄河科技大学主页 刚进入它的“电子管时代”

时间:2018-10-08 08:27来源:2018开奖记录开奖结果 作者:六开彩开奖现场直播 点击:
我们只能说一个量子“大概率在北京”,“大概率自旋箭头冲上”,“大概率平躺着振动”…… 这些概率,是可以多

  量子计算机刚进入它的“电子管时代”

  本报记者 高 博

  虽然无数次听过量子计算机的大名,但就像所有带“量子”两字的概念,人们大多不甚了然。

  量子计算机的概念1980年代提出,投入研发20年,迄今还没有一台真正走出实验室。但传说它(将来会)很厉害。谷歌、IBM、阿里巴巴和许多初创公司在竞争,想第一个实现“量子霸权”,也就是让量子计算机在一个计算任务中快过传统计算机。  

  粗浅了解一点量子计算机的原理后,你会发现其实它和我们熟知的电脑差不了多少。

  量子计算机:量子版的计算机

  “别把量子计算机想成全新的系统,它就是经典计算机的扩展版,处处模仿经典计算机。”安徽问天量子科技股份有限公司首席科学家、中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室韩正甫教授告诉科技日报记者。

  韩正甫说,经典计算机以电压高低代表数字1或0,即为一比特(bit)。

  而量子计算机里对应的是量子比特(Q-bit),那可能是自旋箭头向上或向下的一个电子,也可能是“立直振动”或“躺平振动”的光波……

  传统计算电路由各种“逻辑门”组成,对应的就是量子计算机的各种“量子逻辑门”。都是根据一定的规则,变化存储位的0和1。

  韩正甫说:“传统计算机是这么玩的:一排存储位写进去一个初值(比如10011001)。接下来若干步操作,每一步存储器里边的数都变换成另外一组数。走完程序停下来,把里面的数读出来,比如00101010,就是计算结果。”量子计算机同样如此。

  量子计算机不同之处,是丘比特(Q-bit)特别灵活,没bit那么死板。它同时是0和1。比如:它是六成的0和四成的1。这让它有了超能力。学过一点量子力学才能理解Q-bit的奥妙。

  模糊又精确的Q-bit

  什么叫“它是六成的0和四成的1”呢?

  补习一下高中物理:20世纪初的实验发现,物质细小到极限,就无法被准确测量。因为测量意味着干涉,哪怕你只看一眼。当对象微小到了量子级别,它的状态会被观测彻底破坏。(顺便一说,“一触即溃”的效应被用于量子通信。用量子来承载密码,可以做到有人窃听这个密码信号,一定会被发觉。)这就叫“测不准原理”。东西越小,就越显得模糊。你去测量一个电子的位置,这次测出来在北京,下次测出来在天津。我们只能说一个量子“大概率在北京”,“大概率自旋箭头冲上”,“大概率平躺着振动”……

  这些概率,是可以多次测量确定的,虽然单次测量的读数不一定。

  所以量子比特是模糊的也是精确的:同一个数时而读出0,时而读出1;但多次去读,出现0的概率会趋于一个定值,比如说60%。

  为什么量子计算更快?

  “在传统计算机里,一个高电压叠加另一个高电压,仍然是一个高电压;量子比特的叠加则不同。”韩正甫说。

  量子比特存储的是一个矢量,就好像一个时钟,时针对应着概率。

  时针可以指向零点(量子比特读数100%是0),或指向三点(读数100%是1)。或指向一点半(50%是0,50%是1),或指向任意一个角度。

  传统计算机存储的是“10011001”。

  量子计算机存储的是“钟钟钟钟钟钟钟钟”。(请自行想象酒店大堂挂的一排钟表)

  传统计算中,1和0叠加为1,再叠加一个1,得到0。

  量子计算中,“三点”和“零点”叠加为“一点半”,再叠加“三点”,得到的是“两点一刻”。

  比起bit,Q-bit更有表现力。一个Q-bit可蕴含无限复杂的数字。在这个意义上“以一抵多”。一个Q-bit投入变换,等于多位数字一起变换,即所谓“并行计算”。

  并行计算潜力发挥到极限的情况下,量子计算机的算力比起传统计算机,是2^n∶1。

  但要强调的是: 量子计算机的结果来自概率统计。量子计算机与传统不同,它要一次次重复程序,一次次地读数(每次结果都不一样)。周而复始,足够多次(让概率的可信度超过99.99999%)后,统计出各量子位为1和0的比例,那才是需要的数字。所以碰上不太复杂的计算任务,量子计算可能比经典计算机更慢。

  彩虹与斑马

  有量子计算机之前,数学家就在畅想利用量子比特的“丰富内涵”大大缩减计算时间。不过迄今数学家只证明在两种场景中,量子计算大大快于传统计算机。

  首先是破解RSA算法。RSA是现在最常用的加密方法,其机理是利用因数分解的困难——把两个大质数相乘很简单,而把乘积拆成两个质数,计算机可能得算几万年。

  所以银行可以公开发送一个几千位的数字,并掌握它的两个质因数,而不担心有人算出这两个质因数——用于制造私有的数字钥匙。

  但二十多年前Peter Shor证明一种基于量子计算机的算法,可以轻松分解因数,这也让学界研发量子计算机的兴趣大增。

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