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带你了解量子计算

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带你了解量子计算

雪花又一年 2018-05-16 13:55:32 浏览70 评论0

摘要: 今天我们聊聊热门话题,量子计算机。与量子计算机相对的就是现在大行其道的经典计算机。我们知道,在经典计算机中信息是以0和1的形式流通的,这就是所谓的比特。举例子,按照二进制的套路,那么数字0-10就分别转化为00,01,10,11,100,101,110,111,1000,1001和1010。

带你了解量子计算

今天我们聊聊热门话题,量子计算机。与量子计算机相对的就是现在大行其道的经典计算机。我们知道,在经典计算机中信息是以0和1的形式流通的,这就是所谓的比特。举例子,按照二进制的套路,那么数字0-10就分别转化为00,01,10,11,100,101,110,111,1000,1001和1010。如果每个比特现在不用数字了,而是改用一个粒子来传递的话,那么就可以大幅度推进计算机的微型化,这就是量子计算机。

不过问题来了,我们怎样才能用一个粒子来表示0或1呢?科学家发现电子有一种被称为“自旋”的属性。这使得它们就像是一些微型的指南针。如果我们用一块强力磁体测量一个粒子的自旋,就会发现自旋只有两种状态,分别是三和下。当然这个上和下他只是相对的。于是利用这一特性,我们就可以指定一个自旋向上的粒子代表1,而另一个自旋向下的粒子,则代表0。这便是量子计算机的原理。可见原理是很简单的。

那么人么费了这么多年劲直到现在量子计算机还是不温不火,也就只有IBM公司和我们中国中科大的潘建伟教授团队获得了些许突破性进展。到底是为什么困难阻碍着量子计算机的发展呢?事实上像是电子、原子这些组成物质的粒子在单独存在时。他们是会遵守量子力学中那些奇特的定律的。比如说,当我们不去打扰这些小粒子时,他们的自旋就处于非常奇特的状态,既指向上,也指向下。两种状态,是同时存在的。我们叫这种现象称之为量子叠加态。这种特性不仅关系到自旋,也关系到我们可能利用到的其他属性,比如波粒二象性就是典型的代表之一。只有在人们测量时这些粒子才会选择一个比较正常的状态。这个选择对于粒子来说完全是随机的,这种现象被称为“退相干”。

由此,我们便看出问题所在了。当你向电脑输入一个1时。运载这个1的粒子却表现出了一个莫名其妙的状态,既表示1也表示0,当你想要确定他的值时,他就随便给你一个答案敷衍了事。也就是说,这个信息会变得有无限可能,甚至变得和原先完全相反。既然如此,量子计算机看来就是死路一条了。那么我们为什么还要投入重金去研究并发展量子计算机呢?这是因为量子计算机可以同时进行多个运算,专业说法叫并行计算,计算能力极其强大。具体的套路是这样的,你向电脑输入一系列普通的比特,他们可以代表一些需要相乘的数字,比如说,现在你输入四个量子比特,由于量子是处于叠加态的。前两个量子比特可以代表00,01,10,11也即是数字0123中的一个数字。而随后两个量子比特,也同样代表,0123,中的一个数字。接下来,让前后两个数字相乘,由于每个量子比特都同时表示0和1。所以我们需要机器同时进行16次运算来对应0和1的16种可能组合。0000就代表0*0。0110就代表,1*2,1010,就代表2*2等等。也就是说,此时的计算机就被分成了16台不同的机器。一台机器收到的是0000,另一台收到的是0110,第三台收到的是1010,以此类推直到1111。一次输入四个量子比特,计算机就能同时进行0到3之间,任意两个数字的16种可能的乘法运算。相比于经典计算机,量子计算机在这个方面显然是呈现吊打形式的。

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接下来该干什么呢?当然是输出了。下面就是见证奇迹的时刻,我们可以得到7个结果,分别是0000,0001,0010,0011,0100。0110,1001,也就是0,1,2,3,4,6和9。我们在读取这些量子比特时,会迫使它们选择这7个中的一个确定的状态。此时,如果列一个表格的话,这个表格在音频附属文稿中也有,就好比在这个面有7种可能结果的表格中,随机选取一个答案。你会发现,我们有十六分之七的可能选择0,十六分之二的可能选中,2,3或6。只有十六分之一的可能选中1,4或9。当我们完成了所有可能结果的测算后,就会发现2和3在16个结果中只出现了两次,也就是说只有2×1和1×2才能读出2。那么对于3的情况也是一样的。通过这次测算,我们找到了素数2和3。当然了,这算不上什么了不起的成就。但是量子计算机可以使用同样的方法来测算更为巨大的数字。

不用证明,387090838105这个数字是不是素数,经典计算机需要进行700亿次的乘法运算,700亿次,什么概念?现在世界上运算能力最强的天河二号超级计算机,它的运算速度也只有5.49亿亿次,对于普通计算机来讲,就更是难以完成的任务。动辄就是有上百万时间。如果使用一台只包含几十个量子比特的量子计算机的话,只需要很短的时间,答案就会从天而降。量子计算机之所以可以完成这些任务,是因为对于n个量子比特来说,那就是2的n次方个可能组合,十个量子比特就是1024种可能。100个量子比特,那就就不知道高到哪里去了。2的100次方运算除以天河二号的每一秒5.49亿亿次,就意味着天河二号需要持续工作74万年。量子计算机的巨大实力在此可见一斑。既然量子计算机拥有如此强的运算能力,那么久就赶紧生产才是啊。问题是,制造这样一台量子计算机是极其困难的。刚才我们说了。并行计算的长处来自于每一个量子比特同时表示0和1的能力。这样就必须保证在整个运算过程中,量子比特始终处于叠加态。而量子比特和外界的任何接触,都会使它选择某个确定的状态,从而摧毁叠加态。唯一的办法就是让他们严格隔离,并且操作使用时万分小心。

目前制造出的量子计算机,主要由几个被冷却到接近绝对0度的原子组成。它们或者悬浮在一个磁场中,或是被隔离在富勒烯中。亦或是集中在一个特别设计的分子中。科学家使用微波来操纵这些原子,使它们轻轻移动,而不必选择某一状态。然后,用核磁共振仪来读取他们的自旋状态。可想而知,这样一种操作方式,量子计算机我们目前是不可能给它放到你面前的办公桌上的。

量子计算机存在的另一个缺陷是:对于那些经典计算机可以完成的一些很基本的运算,表现的却并不是很擅长。原因是这些运算,对于精巧的量子比特来说变化的太剧烈。比如说,无论你输入1*12,3*4,,2*6,4*3,6*2,还是12*1,你的计算机只会显示出结果12。这样一来,他就丢失了之前输入了两个数字。在对计算机领域,数据丢失也就意味着一些比特被完全摧毁,并以热量的形式在机器中消散。如果一个量子比特,也遇到这种情况的话,它就会向它运行的机器散发热量。也就是说,它和它的外界环境产生了相互作用。由此一来叠加状态也就被摧毁了,量子计算机就毫无优势可言了。由于有这种复杂情况的存在,为量子计算机设计一个像乘法运算这样的基本任务,程序就要比经典计算机困难的多。由此得到的结论就是目前的量子计算机不仅体积巨大,而且他甚至连一台普通电脑的功能都很难胜任。

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现阶段量子计算机到底会起到什么作用呢?接下来就是重头戏了啊,如果我们操作得当的话,我们还是以四个量子比特为例。结果我们都知道了。我们会得到一个16个计算结果的叠加。现在我们就该读取这些量子比特了。可惜并不是我们并不能一下就能读到16个结果。因为只要你一读取,就意味着你就和它们产生相互作用,迫使他们选择一个确定的状态。所以,你就只能得到一个答案。一个在所有可能的结果中随机选择而得出的答案。这个答案看起来是无济于事的。所以,我们必须让量子计算机多运算几次来得到其他一些可能的结果,这样才算是完成了一个完整的任务。但是这样一来的话,如果我们为了得到所有可能的结果,而又重复运行同样多的次数,那么对于所有可能组合同时进行运算还有什么意义呢?这不是和经典计算机,把所有可能的计算挨个运行一下是一样的吗?

其实,完全不一样。因为通常情况下可能得出的结果数量,要远远少于输入时理论上的可能组合数。比如所有和0相乘的结果,都只有一个,那就是0。这样我们就可以更加快速的完成这一轮运算。可见,量子计算机所做的工作和预测选举结果是非常相近的。比如说美国有1亿多选民。那么民意测验机构要想预测总统选举结果,他该怎么办呢?显然不会是把每个人都问一遍,这不疯了么。但是,由于实际上只存在两位总统候选人。这样,民意测验机构,只需要询问1亿选民中的几万人就可以对选举结果做出一个相对准确的预测,这就是量子计算机的工作。对于一项计算的结果进行预测,研究该计算的总体特性,而不是给出某一确定运算的结果。

当然了,我们也可以使用当前的计算机来进行这样的测算。比如说如果要研究某一运算和计算的整体属性。第一步,就是计算出所有可能的结果。第二部是测算这些结果出现的规律,并找出有用的信息。如果运算存在着数量惊人的可能组合的话,那么对于一台经典计算机来说,完成步骤一可能就需要他连续运作数百万年。这是因为他必须一个个的轮流运算。随后进行的第二部运算,花费的时间可能会短一些,但很多计算机连步骤一都完成不了,然而还谈什么第二部呢。如果使用量子计算的话,虽然步骤二的时间,可能不会缩短,但步骤一几乎可以瞬间完成,这正是,量子计算机的优势所在。

不过是骡子是马,还得拉出来溜溜。你自己闷声发大财,不行,还必须应用到实际中去推动历史的进程。这样,量子计算机才真正算得上是伟大创造。问他有什么用呢?目前人们主要考虑到两种应用。第一种是应用于分子模拟,什么是分子模拟呢?我们知道,即便是最小的分子,也是由好几个量子级的粒子构成的。这其中包括电子质子和中子等。每个粒子都影响着其他粒子,而且,每个粒子也都有可能处于多种状态。计算这个巨大的组合的所有运动状态,也就是上面说到的步骤一,在经典计算机上是不可能完成的。而量子计算机就可以对此应对自如。接下来,我们只需要根据这些结果进行测算,就可以发现相关的答案。如分子被加热后的状态,或者是和另一个分子同时存在时的状态。

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这样一来,如果被模拟的分子是一种药品,我们就可以虚拟的预测出它的功效。同样的,我们也可以研究出某种化学品的性质,或者某种合金的强度。而根本不需要把他们制造出来。还有,我们说慈力的时候,怎样的组合能够获得实力更强的磁体,人们是没有办法从原子层面进行推导,只能依靠经验。但有了量子计算机后,一切都会大不同。我们将真正意义上从分子原子的层面了解到材料的性质。相信化学家和生物学家对此一定心动不已。

量子计算机的第二个应用这是密码。比如最简单的密码体系,就是调换字母,比如把a换成b把b换成c。I love有这句话就变成了,gmowfzpv。对于解码的人来说,他是不知道规律的。可能是把a换成x或者m,完全不是那种按顺序一一对应的关系。所以为了给它解码,我们就得把几百亿种可能的调换方法,一个一个的计算出来。然后,在所有的计算结果中找出包含英语单词的结果。经典计算机,就这样简单的一句话,可能就有工作几年时间。而一台包含十几个量子比特的量子计算机,在一瞬间就可以完成你需要研究的所有调换。事实上,我们目前所有用来保护网页和商业秘密的大部分密码,在这样一台机器面前,至多只能坚持几分钟时间。等到它真正投入使用时,也许现代社会的整个协作体系,都将发生深刻的变革。至于这究竟是一个怎样的未来,恐怕我们还不得而知。可以确定的是一场新的革命,即将爆发,就让我们拭目以待吧。


原文发布时间为:2018-03-21
本文作者:科学社
本文来源:今日头条,如需转载请联系原作者。

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