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未来已来?揭开量子计算机的神秘面纱

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未来已来?揭开量子计算机的神秘面纱

雪花又一年 2018-05-16 15:14:47 浏览195 评论0

摘要: 从第一台现代计算机ENIAC的诞生到个人PC时代的降临,从互联网概念的提出到移动互联的疾跑,在这个信息年代里,变革正以前所未有的速度改变着我们熟悉的世界、熟悉的生活。 作为个人,我们早已习惯于智能计算设备的加持,刷微博逛淘宝,聊微信玩游戏,种种如此;作为国家,小到政务系统、天气预报,桥梁受力分析,大到宏观经济预测、地震海啸预测、导弹火箭航迹模拟,无一不依赖于超计算设备的海量运算。

从第一台现代计算机ENIAC的诞生到个人PC时代的降临,从互联网概念的提出到移动互联的疾跑,在这个信息年代里,变革正以前所未有的速度改变着我们熟悉的世界、熟悉的生活。
作为个人,我们早已习惯于智能计算设备的加持,刷微博逛淘宝,聊微信玩游戏,种种如此;作为国家,小到政务系统、天气预报,桥梁受力分析,大到宏观经济预测、地震海啸预测、导弹火箭航迹模拟,无一不依赖于超计算设备的海量运算。从个人的衣食住行,到国家的政治、经济、国防建设,我们如此的依赖的计算能力却遭遇了瓶颈,计算机的能源效率与排放问题,以及现有计算机体系发展的局限性,正与我们日益增长的计算能力需求形成难以调和的矛盾,掣肘世界发展。然而,量子计算机的快速发展仿佛一道曙光,这一晦涩难懂的新技术是否能够引领新一代的信息革命?他又会对我们的生活产生多大影响?商业级量子计算机的问世是否宣判了经典计算机的死刑?

是否,未来已来?


为什么选择量子计算机?

从摩尔危机到量子计算

Intel创始人之一戈登·摩尔在上世纪60年代提出:当价格不变时,集成电路上容纳的元器件数目,约隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。简言之,即计算机的性能以十八个月翻一番的速度不断发展,这一内容在之后的半个世纪不断被观测与证实,因此被人们称为摩尔定律。我们可以很清楚的从下图看出,摩尔所做的推测与观测基本相符,CPU中晶体管的数量(衡量计算机性能的重要指标之一)随时间成指数级增长。
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也许,你会认为万事大吉,就按照摩尔定律,计算能力将会得到无止境的增长,而我们要做的只是进一步降低晶体管的大小,从而集成更多的晶体管,然而,问题随之而来:

  1. 晶体管的大小不能无限小:随着工艺技术的提升,我们能够将晶体管加工到纳米级别,但是如果晶体管不断减小会怎样?它很快就会变成一个原子大小,而任何纳米管和传统工艺都将对此毫无办法。从下表可以看到,从2000年以来的十多年间,晶体管尺寸迅速下降,集成晶体管数量迅速提升,但这中通过不断降低晶体管大小的方法将因为物理性质和技术工艺限制将难以维系;
年份 处理器型号 制作工艺 晶体管数量
2000年 奔腾4 180nm 0.42亿
2005年 奔腾D 90nm 2.3亿
2006年 酷睿2 65nm 2.9亿
2010年 酷睿I7-980X 32nm 11.7亿
2013年 酷睿I7-4960X 22nm 18.6亿

2. 电泄漏: 随着晶体管的不断减小,晶体管之间的电泄漏情况愈发严重,从而影响到用于计算的晶体管,从而大幅削弱了芯片的计算能力;       
3. 发热问题:随着晶体管密度与速度的增加,芯片会消耗更多的电力,产生更多的热量。也许你会认为一颗小小的芯片并不会产生多少,但事实却如Intel前CTO所说的那样,“如果芯片中的晶体管数量以现在的速率一直增长下去,到2005年一个高端处理器每平方厘米散发的热量将和一个核反应堆外壳持平;到2010年可以和火箭助推器相提并论;到2015年就要和太阳表明一样热了。”,这也许会使你觉得不可思议,一个小小的芯片能发出如此高的热量,然而这却是工程师不得不面对的问题,这是制约CPU发展,制约计算能力进一步向前的关键因素。

聪明的你肯定已经想到,为什么不增大CPU的面积以放下更多的晶体管,同时达到更好的散热效果呢?事实是,更大的表面积在带来更好散热效果的同时,也需要更大的电压来驱动,而这就会导致更多的热能产生,适得其反。 综上所述,摩尔定律的局限性所引起的摩尔危机使得计算机能力的发展进入低谷,然而,祸不单行,快速发展的量子计算机及量子算法已经开始挑战现有的计算机世界秩序。


破解银行密码的量子算法?

摩尔危机的必然性,对于经典计算机的发展来说是沉重的打击,国家日益增长的计算需求与落后的计算能力之间的矛盾也势必变得越来越突出,然而现阶段各设备较高的计算能力并没有激起人们足够的危机感,但危机早已到来。1994年彼得·秀尔提出量子质因子分解算法后,国际社会一时哗然,这一算法对通行于银行、网络、电子商务体系的RSA加密算法所构成的威胁超出了人们的想象。由于量子计算机的强大计算能力,和对国家安全、社会经济所构成的巨大威胁,一时间,量子计算机成为各国政府、实业界、企业界争相研究的课题,量子计算机从此上升到国家安全的战略层次。

或许你会问,为什么量子质因子分解算法会有如此大的威力?经典计算机不也能分解质因子么?为了解决这些问题,我们先来了解一下RSA算法的工作原理:

1、产生公钥和密钥:(mod 为取模的意思,即a mod b = a / b 的余数)

  • 选择两个大质数p、q,并计算其乘积 n = p * q;
  • 选取满足与(p - 1) * (q - 1)互质的参数a;
  • 取b,使其满足(a * b) mod ((p - 1) * (q - 1)) = 1;
  • 其中(n, a) 对作为公钥,(n, b) 对作为密钥。

2、加密与解密过程:对明文为X,密文为Y的例子有

  • 加密过程:Y = X^a mod n;
  • 解密过程:X = Y^b mod n;

简而言之,RSA算法的核心是求两个大质数的乘积分解,但是要将这个乘积分解为两个大质数相当难以实现,这样的不对称性,正是此加密算法的精髓。但公式始终是生涩冰冷的,我们举个简化的例子:

取p = 3,q = 11,则n = p * q = 33,
取a = 21与(p - 1) * (q - 1) = 20 互质,
取b = 1满足(a * b) mod ((p - 1) * (q - 1)) = 1,
假设明文X = 2,Y为密文
当进行加密时:Y = X^a mod n = 2097152 mod 33 = 2 (等于2只是巧合,因为所取质数太小)
当进行解密时:X = Y^b mod n = 2^1 mod 33 = 2

RSA算法将公钥(n, a)公开,因此偷听者可以得到这两个参数,而破解的核心便是知道密钥中的b,而要得到b我们需要通过p、q、a,以及公式(a * b) mod ((p - 1) * (q - 1)) = 1计算出b的值,从而完成破解,因此破解的核心便是质因子分解。对于经典计算机而言,受限于设计模式及计算能力, 质因数的破解的时间复杂度为O(2^n),1999年,科学家花费5个月分解了512位质数乘积,完成破解,十年后,768位的质数乘积即RSA-768被破解,而现在广泛使用的RSA-1024将会花费更长的时间完成破解。反观量子计算机,依托强大的并行计算能力(一次计算量可以达到经典计算机的数以万倍甚至更多)和五步秀尔算法,能够实现极短的时间内破解RSA加密算法,这个时间有多短?来自微软研究院的Dr. Krysta Svore说,“破解RSA-2048(2048-bit)的密钥可能需要耗费传统电脑10亿年的时间,而量子计算机只需要100秒就可以完成。”

通过对摩尔危机、RSA加密算法破解的初步了解,量子计算机的发展势在必行,无论是对于解决摩尔定律失效的危机还是守卫国家政治、经济、国防的安全,都有着不可忽视的意义,因此,我们需要一种全新的计算模式和计算理论,我们选择量子计算机。


量子计算机(quantum computer)的基本工作原理

经典计算机工作原理

古人云,闻一知十,在探索量子计算机的强大前,知晓经典计算机的工作原理必不可少。经典计算机中,以二进制的方式对数据进行存取计算操作,计算机能够存储和计算的最小单位是比特,即一位(0或者1)。在这其中,一个晶体管或一个存储位,在同一时刻,能且只能存储一位信息,即要么存储0要么存储1,这是一个非0即1的选择。例如,如果我们具有四个存储位:

存储位3 存储位2 存储位1 存储位0 十进制值
0 0 0 0 0
0 0 0 1 1
0 0 1 0 2
0 0 1 1 3
0 1 0 0 4
... ... ... ... ...
1 1 1 1 15

如上表所示,在具有四个存储位时,我们总共能够表示0-15的16个数,但任一时刻,四位存储器只能表示16个数中的唯一一个数,并且,当我们要得到所有数字的时候,我们不得不顺序读写15次以达到我们的目的。

在经典计算机中,我们通过对存储位数据的读取,加以各色逻辑电路进行计算,再将计算结果写回到存储当中,这便是经典计算机最基础的工作原理,在这个工作过程中,我们一次从存储位中读取其能够表示所有数据中的一个数据,一次运算中,我们计算的同样是这一确定值。


量子计算机之力从何而来

通过之前内容的铺垫,我们终于可以开始探索量子计算机,为什么它的能力能够数亿甚至百亿于经典计算机,如此强大的计算能力是科幻还是科学?而这一切的答案,皆藏身于陌生的微观世界。

基本理论依据

量子计算机的核心是量子,而量子所具有的能量正是量子计算机的能量源泉,而这种能量又源自量子两个匪夷所思的性质:

  • 态叠加原理(superposition principle):对于这一原理,维基百科的定义为“态叠加原理表明,假若一个量子系统的量子态可以是几种不同量子态中的任意一种,则它们的归一化线性组合也可以是其量子态。称这线性组合为叠加态。”,这显然过于专业且过于生涩,为了便于理解,我们举两个例子进行阐述:
    • 假设一辆卡车正在向前行驶,这时路中间正好有一块大石头,车要么从石头左边过,要么从它的右边过,我们架设多部摄像机记录卡车通过的这一过程,事后检查录像时发现,有的摄像机显示卡车从石头左边经过,有的又从石头右边经过。这对于宏观世界的我们而言简直不可思议,但这就是量子在微观世界中所具有的叠加态,即在同一时刻能够同时具有多种状态。
    • 提到态叠加原理,不得不提的便是网红猫———薛定谔的猫。什么是薛定谔的猫?这是由奥地利物理学家于1935年提出的有关猫生死叠加的著名思想实验,其主要内容如下:假设在一密封黑盒中,有一只猫,有一定的食物,有一瓶毒气,而这一瓶毒气的开关由放射性物质组成,当这一放射性物质发生衰变时,便触发机关,释放毒气。现在的问题是,我们在打开黑盒前,是否知道猫的生与死?显然,在我们打开箱子进行观测之前,猫是处于一种生与死的叠加态上,而当我观测的那一刻,才能确定其是生是死。


      500

      薛定谔的猫

卡车从石头的左侧和右侧同时经过?猫处于生与死的叠加态上?或许你仍在疑惑,但正如尼尔斯·波尔所说,“当你第一次听量子力学还听懂了,那么你一定没有听懂。”,因此,疑惑就该如此。然而,因为这样的现象对于宏观世界的我们来说依然难以理解,这种客观事物以人的意志发生改变的理论显然与我们恪守的逻辑思维格格不入,量子力学所告诉我们的是:如果不进行测量,那么一切都是不确定的;而爱因斯坦等一干物理学家则坚持客观规则就是那样,不会随着人的意志而改变的观点,伟大如爱因斯坦也因此迷惑不已,并说过一句名言:“上帝不会掷骰子”。

近年来,随着科学水平的发展,包括美国国家标准和技术研究所、奥地利因斯布鲁克大学在内的越来越多的组织实现了量子系统中的量子叠加态,即物质在微观尺度上存在两种完全相反且状态并存的奇妙状态。

  • 量子纠缠(quantum entanglement):指粒子在两个或两个以上的粒子组成的系统中相互的影响,即使他们相距十分遥远,一个粒子的行为会影响到另一个粒子的状态。此即为量子纠缠,量子力学理论中最著名的预测。概念听起来总是生涩的,我们依然举个例子来阐述一下:
    • 设想一下,同时有两个你一个在喜马拉雅山山顶,而另一个你则在北京,当你在北京胡吃海喝,喜马拉雅的你同时打了一个饱嗝,而北京的你突然感觉寒气逼人。

这便是量子纠缠,即两个量子间相互关联,即使是在存在遥远空间距离的情况下,信息的传递、影响的发生依然可以以“鬼魅似的远距作用”(爱因斯坦曾说道)。或许你已经想到,既然可以通过量子纠缠以超光速传递信息,而人又是由各种粒子组成,为何不能实现人的空间转移?理论上来说,这的确是可行的,但这依然有一系列看不见的问题需要解决,比如,最棘手的便是怎么把粒子再还原为人,同时,这也涉及到了哲学伦理问题,利用量子纠缠空间转移的人还是不是原来的那个人?

对于量子纠缠,神秘的远距作用为人们带来了高速且安全传送信息的可能性,因此,就在今年,全球第一颗量子通信试验卫星“墨子号”由我国自主设计发射。这其中的核心技术便是,通过地面与卫星中生成的具有纠缠态量子,进行信息的传递。

揭开量子计算机的神秘面纱

随着对量子计算机所依赖的核心理论态叠加原理、量子纠缠原理的深入了解,仿佛量子计算机的神秘面纱早已拨开,变得不再那么模糊不清且高高在上,也许你早已想到了要如何实现一台自己的量子计算机。接下来,我们来看一看量子计算机是如何运作的,又是如何拥有远超经典计算机的计算能力。 

对比经典计算机,量子计算机的能够存储和计算的最小单位是量子比特,而这一量子比特存储于一位量子中,这一量子因为态叠加原理,能够同时存在0到1之间的多个状态(而经典计算机只能表示1或0),假设我们取0和1态,同时假设我们有四个量子比特位,那么,如果我们要表示0-15的数,将会是如下情况,

量子比特位3 量子比特位2 量子比特位1 量子比特位0 十进制数值
0或1 0或1 0或1 0或1 0-15

很明显,当我们要取出0-15的所有数时,只需要取一次,而经典计算机则需要顺序执行15次之多,当要对15个数进行计算时,量子计算机将只取1次数据,计算1次,存储1次;反观经典计算机,则由于晶体管的物理限制,必须进行15次取,15次甚至更多的计算次数,至少15次的存储;不仅如此,量子纠缠所带来的高效传输信息,同样是传统的逻辑电路所无法企及的速度。因此,无论是在计算能力上还是在传输能力上,量子计算机都占据了压倒性的优势,高下立判,模型与量子性质的优越性完美的颠覆了现有的冯洛伊曼计算机体系。 

或许,你还没有意识到这意味着什么,正所谓,没有对比就没有伤害,我们来看一看经典计算机中,13年的酷睿I7处理器中,已经容纳了14亿个晶体管,这还只是面向个人消费的CPU,而量子计算机呢?我们只需要300个量子比特,它所能表示的数据即包含2^300 个数,而经典计算机只能表示2^300个数中的一个数,据估算300个量子比特所表示的数集,已经超过了宇宙中原子数量的综合。然而300量子比特并不能够很好的容错,因此我们将量子比特增加到1000位,这样在获得极大的计算能力的情况下,通过冗余的手段,我们也获得了极高的准确率,然而1000位量子比特较14亿晶体管的数量来说,仍然是一个相当可观的数字。

然而,量子计算机尽管有着以上诸多的优势,却依然有着其局限性,其中最严重的问题便是,量子的态叠加原理告诉我们量子能够同时保持多种状态,我们可以根据这种状态进行计算,然而,量子保持多状态的条件是量子系统不受外界干扰,但是,如果不打扰量子系统,又何以对量子进行观测?这便矛盾了起来,好在,哪里有困难,哪里就有“解放军”,量子计算机的这些局限,并没有阻碍我们太久。


量子计算机的发展趋势

现状

自上世纪20年代以来,随着薛定谔、爱因斯坦、海森伯格、狄拉克等人所建立起的量子力学不断发展,以及实验水平的不断提高,人们对于量子力学有了更加深刻但仍不完善的理解与认知。量子计算机,作为站在巨人肩膀上的产物,因其强大的并行计算能力,受到各国政府、学者、企业的重视和追逐,也正是因此,量子计算机的发展势如破竹。 

近年来,量子计算机的研究成果层出不穷,自2009年以来,量子计算机的主要动向有:

  • 2009年11月,世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生。
  • 2010年3月,德国于利希研究中心发表公报:德国超级计算机成功模拟42位量子计算机。
  • 2011年5月,加拿大D-Wave System Inc ,发布了一款号称 “全球第一款商用型量子计算机”的计算设备“D-Wave One”。
  • 2013年5月,Google和NASA在加利福尼亚的量子人工智能实验室发布D-Dave Two。
  • 2013年6月,中国科学技术大学潘建伟院士领衔其量子光学和量子信息团队,在国际上首次成功实现用量子计算机求解线性方程组的实验。
  • 2015年5月,IBM在量子运算上取得关键突破,开发出四量子位原型电路。
  • 2015年月,新南威尔士大学首度使用硅制作出量子闸。
  • 2016年8月,美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5量子比特组成的可编程量子计算机。

随着量子计算机发展的混沌期过去,大浪淘沙留下的主要量子计算机实现方案有以下3个:

  • 超导电路模型(UCSB的Martinis组,实现了9量子比特的超导量子芯片)
  • 半导体量子芯片模型(新南威尔士大学的Andrew Dzurak实现了2量子比特的硅基半导体量子芯片)- 离子阱模型(牛津大学的Lucas组实现了5量子比特的离子阱量子计算)
  • Josephson junction(为第一台商用量子计算机D-Wave One所采用,但普遍受到学术界质疑)

尽管Josephson junction受到不少质疑,但通过了解其实现方式,仍有利于我们进一步了解量子计算机,简单介绍如下: 要弄明白,D-Wave One是怎么控制量子比特的,我们首先需要知道一个物理现象,我们称之为约瑟夫森效应(Josephson effect),这一物理现象的内容是:电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。即当两块超导体靠的很近时,我们不需要加任何电压,而这之间已经形成了超电流。


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最基本的量子比特

在上图中,X的地方则使我们的约瑟夫森结,具有约瑟夫森效应,其结构如下: 426

约瑟夫森结

如上所述,因为约瑟夫森效应我们的量子比特电流圈中便有了电流,而此时,对其加入磁场,我们便可以通过改变磁场,从而改变磁通量的方法,控制我们的量子比特,这便是D-Wave One所采用的技术,当我们把128个量子比特连起来时,并形成了D-Wave One的核心,如下图所示:


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对量子比特进行连接耦合处理

未来

量子计算机的面纱已然揭开,但新的问题总是接踵而至,我们何以定义一台计算机为量子计算机?量子计算机的未来发展向哪个方向而去?然而,通过对各种论文、报告的总结,答案已经给出。

量子计算机,即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。简而言之,当某个装置能够处理和计算量子信息,并且运行量子算法时,我们便可以称之为量子计算机。

就现阶段而言,量子计算机的发展方向即为从理论阶段转为可使用的状态。何为可用的状态?答案是,“单量子比特逻辑门和双量子比特逻辑门的保真度达到99%以上、量子比特数目达到几十个以上、操作速度和退相干时间在合理范围的计算机就是一台能用的量子计算机。”,简而言之,就是能够快速计算,并且保证结果正确的时候,我们的量子计算机便是可用的了。随着目前各国实业界巨擘如Google、微软的巨额投入,以及学术界、政府部门的鼎力支持,未来10年内实现“小”而可用的量子计算机指日可待。


又一次改变世界?

今年,是第一代Iphone发布的第十个年头,这十年,它所带来的智能革命颠覆了全世界人民固有的生活方式,移动互联更成为了十年来最炙手可热的话题,这是Iphone的力量,那么,我们的量子计算机是否也具有如此大的能量呢?

或许现在,你还对量子计算机充满疑惑,亦或是觉得其也不过如此,但无论怎样,量子计算机都已不再那么神秘,当我们把量子计算机拉下神坛后,或许我们才可以更加深刻客观的思考量子计算机于我们而言,是否能够又一次改变我们的世界?

毫无疑问,答案将是肯定的,量子计算机必将挑战现有经典计算机世界所构建的规则,改变这个世界的运转模式,但是,这样的改变也必将是悄无声息的,它不会像Iphone那样让人触手可及,但它却在社会的更深层次,更隐秘的层次推动着社会的发展与进步,就像当打电话时,我们并不关心信息是通过传统通信卫星还是量子通信卫星进行传送的,我们只关心它能不能通信,然而,量子通信卫星所具有的高并行处理能力和极高安全性能,传统通信卫星望其项背;当我们乘坐高铁时,我们并不会考虑它是如何设计建造的,我们只关心它是否够快,是否够平稳,然而,量子计算机的海量数据模拟,将会极大的减少设计建造周期,解放设计师的想象力与生产力,达到更快更稳的设计要求......或许,在不久的将来,我们能够预测地震海啸,或许我们能够利用更强大的计算能力,往宇宙的深处进发,探索生命的根源,探寻宇宙的起点。

量子计算机不再神秘,而它带来的改变将会陪伴我们每一个人,但它却摸不着也看不见,或许真正的科技正是这样,让人感受不到它的存在。



原文发布时间为:2016.10.06
本文作者:ZDean
本文来源:简书,如需转载请联系原作者。

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