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【新知】 量子技术初探

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【新知】 量子技术初探

雪花又一年 2018-05-17 15:48:59 浏览557 评论0

摘要: “目前我们已经进入了一个能看到量子计算机将要做出来的时间段——即最后一里路。这“最后一里路”,不仅过程非常艰难,而且耗时也会很长。” ——中国科学院院士、量子计算泰斗姚期智教授 乍寒乍暖的上海,鱼缸里有一撮设计师总是想搞点小事情,他们不满足于设计领域的一亩三分地,更进一步想要了解不同行业和领域最新的知识和资讯。

“目前我们已经进入了一个能看到量子计算机将要做出来的时间段——即最后一里路。这“最后一里路”,不仅过程非常艰难,而且耗时也会很长。”

——中国科学院院士、量子计算泰斗姚期智教授


乍寒乍暖的上海,鱼缸里有一撮设计师总是想搞点小事情,他们不满足于设计领域的一亩三分地,更进一步想要了解不同行业和领域最新的知识和资讯。本次他们选择的是科技领域目前非常火的“量子技术”。作为一个外行人,想要通过学习梳理清量子技术整体的知识轮廓。带着对新技术的好奇,这些设计师们开始了为期一个月主题为“量子技术初探”的新知学习。本篇文章也可以看作编者的读书笔记。

学习过程中他们围绕以下几个问题寻找答案:

1.什么是量子?

2.什么是量子技术?

3.什么是量子计算机?

4.量子技术的发展处于什么阶段?未来有哪些可能的应用前景?


1.什么是量子?

量子到量子通信的发展简介

量子(quantum)是现代物理的重要概念。最早是由德国物理学家M·普朗克在1900年提出的。自从普朗克提出量子这一概念以来,经爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森伯、薛定谔、狄拉克、玻恩等人的完善,在20世纪的前半期,初步建立了完整的量子力学理论。绝大多数物理学家将量子力学视为理解和描述自然的基本理论[1]。

在1981年时,诺贝尔奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman)首次提出量子计算机的概念[2]。1993年,C.H.Bennett提出了量子通讯的概念;同年,6位来自不同国家的科学家,提出了利用经典与量子相结合的方法实现量子隐形传送的方案[3]。

1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔(Peter Shor)证明量子计算机能完成对数运算,而且速度远胜传统计算机,这也是在量子计算理论提出十多年后的第一次实验[2]。随着科学社会的不断进步与发展,量子技术的研究与应用开发现已成为了世界各国科技领域的热门话题。

什么是量子?

目前科学对量子的定义是,将一个物质或者物理量分割至不可再分割的状态,就把这个对应状态的最小微粒子称为量子[5],这种不可再分割的状态是平常所说的量子态。

在进行理论描述的时候我们经常会用到两个概念:

第一个概念是:量子本身是一种物理量是一个单位,不是一种粒子。举例来说不能说一“个”量子,而要说一“量子份”。

第二个概念是:在多数情况下“量子”是一个形容词而不是名词,它是指一种尺度,在这种尺度下量子力学理论生效。这套理论是人类现有认识范围内物质世界的“基本法”[4]。 在这个概念下,为方便理解,所有基本粒子(质子电子中子奈子)都被称作“量子”。因为在这个尺度下这些微观粒子的能量特性已经不可被忽略,因此量子物理学家为了与经典物理学中的“粒子”这一朴素观念加以区分,提出了量子这个概念[6]。


量子有哪些特性?

要理解量子计算和量子通信,首先要了解量子的特性。因为量子计算和量子通信的发展都是建立在量子特性的基础上的。量子的特性描述的是量子与量子之间的关系,实际上也是指的量子力学的特性。

量子叠加

如果把经典物理学看作一枚硬币,那么这枚硬币不是反面就是正面。同理,在量子物理学中,这枚硬币可以同时表示“正”、“反”两种状态[7]。即一个量子位同时代表两个状态,两个量子位结合起来就可以同时代表四个状态。量子被观测或者被查看之后的状态只能有固定的状态,这个过程被称为叠加塌陷。

从微观物质上对量子叠加进行解释:波粒二象性(光电子同时具有波动性与粒子性)

下面来了解一下电子双缝干涉试验。首先关于干涉的概念:如果有一个波,经过了两个狭缝,出来就变成两个子波了,这两个子波在随后传播过程中就会出现干涉。干涉的意识即指这两个子波在每个点上都相互作用着,最后观察到的波是一些干涉波纹。如果看到干涉条纹,即可知观察到的是个波,而且这个波是在两个狭缝同时出现的。

当每次只发射一个电子的时候,这个电子通过双狭缝打到电子屏上,激发出一个小亮点,这是电子的粒子性。但是事先也不知道电子会出现在屏幕上的什么地方,结果多次重复,经过大量的观察发现,这些电子有时出现在这里,有时出现在那里,在某些地方出现的频率高一些,在另一些地方则小一些;出现频率高的地方,恰好是波动规律所预言的干涉条纹的亮处,而出现频率低的地方,对应于干涉条纹的暗处。所以,大量的实验证明:电子尽管是粒子,但是其运动体现了波的性质,而且每个电子必须同时出现在两个小孔中,才能进行干涉[8]。

因此由电子的干涉条纹的出现可以反推到电子是同时出现在两个孔中的,这体现了量子叠加特性,即一个量子位同时存在两个状态,既在A孔,也在B孔。电子在没有被观测的时候,没有确定的状态。如果我们观察它,比如在两个狭缝处设置探测器,电子一被观测,就只出现在一个狭缝上了,干涉条纹立刻消失(干涉条纹经观测立刻消失,是既有理论波函数坍缩的结论)。也就是说你一观察,电子就在一个确定的地方出现了,这就是所谓量子的叠加坍塌。

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电子波粒二象性示意

从宏观哲学上解释薛定谔的猫

把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个装置,其中包含一个原子核和毒气设施。设想这个原子核有50%的可能性发生衰变。衰变时发射出一个粒子,这个粒子将会触发毒气设施,从而杀死这只猫。根据量子力学的原理,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,因此,那只可怜的猫就应该相应地处于‘死’和‘活’的叠加态。非死非活,又死又活,状态不确定,直到有人打开盒子观测它[10]。

猫在未被观察到时候可能存在的两种状态即所谓的叠加态。而经观察后呈现的结果可以看作量子的叠加坍塌。

量子纠缠

量子纠缠与“薛定谔的猫”是类似的,只不过“薛定谔的猫” 讲的是同一个东西处于不同的状态的迭加,量子纠缠讲的是如果有两个以上的量子位它们都处于不同的状态的迭加,它们彼此之间无论多远也能够相互关联。

科学实验发现,二个没有任何关系的量子,会在不同位置出现完全相关的相同表现。如相隔很远(不是量子级的远,是公里、光年甚至更远)的二个量子,之间并没有任何常规联系,一个出现状态变化,另一个几乎在相同的时间出现状态变化,而且是与前一个状态变化相关的,不是巧合。这就是量子纠缠[8]。比如说,两对情侣相隔无穷远,一个头上长了草,另一个头上也会长草。

也就说,只要发现了两个相互纠缠的量子的规律,改变其中一个量子的状态就可以控制另外一个量子。这就是量子点纠缠。

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量子纠缠示意

量子态的脆弱性

量子态非常脆弱。测量、观察、接触或扰乱任何这些状态,它们就会坍塌成经典状态[7]。实际上就是前文所讲的量子的叠加坍塌所导致的脆弱性。

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量子坍塌示意

量子态的不可克隆性

脆弱性的一个推论是“不可克隆定理”。在经典物理中,如果两个比特位由下面的硬币来表示,人们可以复制或窃听和重新创建该信息[7]。相比之下,人无法对一个不知道状态的量子进行克隆。所以,要克隆,则需要干扰才能够获得量子传递信息的状态。这个概念是量子通信的基础。


2.量子技术是什么?

作为一个非专业人士我们更关心量子理论相关的技术。那么相关量子技术是什么?

首先,如同讨论经典计算技术不能不说经典计算机一样,介绍量子技术不得不提到量子计算机,这个量子技术的载体。简单的讲量子计算机就是运行量子算法的计算机。他的核心原理是原子原子尺度上的,必须用量子力学解释的物质性质。

在量子领域内研究前沿的技术有:量子通信,量子计算,量子仿真和量子传感等;根据专家访谈获知在量子通信和量子计算方面是现阶段集中的研究领域。

量子通信

量子通信是近二十年发展起来的新型交叉学科,是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信主要涉及:量子密码通信、量子远程传态、量子密集编码等,进来这门学科已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们关注。量子通信是基于量子力学的“纠缠+不可克隆”的特点进行信息传递,因此成为国际上量子物理和信息科学的研究热点。

那么量子通信的安全性体现在哪里呢?

首先,对于传统通信来说,想要保证安全性,需要将明文加密发送出去,到接收方再把密文解码。在这个过程中,我们假定设置了一个三位的数字密码,如果第三方(暂时称其为“窃听者”)想要破解密码,则最多可能测试10的3次方来破解。再进一步我们假定密码非常复杂,则这个破解的次数也是非常大,但是总是一个确定的数字。在密码破解领域有另外一个假定就是“窃听者”的计算能力是无限大的,那么这个密码总是能够被破解,只是时间快慢的问题。

而对于量子通信来说,由于量子的不可克隆性,所以在发送端和接收端能够保证信息传递过程中一旦被“窃听”双方能够迅速意识到,这样安全性更加得到保证。

下面密钥分发的经典案例BB48密钥分发方式来介绍量子通信过程:

在接收端( bob )选择,水平和垂直作为测量基,45度和135度作为测量基。

在发送端(alice) ,也是有四个发送基.发送端随机选择发送基进行发送

在接收端, bob 随机选取两个测量基进行一个测量,这样正确的概率就是2/4也就是1/2 。

整个过程可以看作alice要打电话给 bob,alice有四个编号为ABCD手机随选择一个使用 ,bob有同样四个编号ABCD手机只能随机选择两个接听(这个过程叫做测量) ,只有bob刚好接起了alice打的那个手机才是准确的。

alice会把要说的话分成多次(比如十次)电话里说出去。bob 接完所有的alice打的电话之后,开始告诉 alice自己每一次接听的手机编号(比如第一次是A+B手机),然后alice会根据bob的反馈告诉他第几次是正确的,第几次是错误的(比如第一次alice是用的C手机,那么这次测量就是错的,信息要舍弃),这个过程就是协商。

这个协商过程在通信后才开始进行。可以完全保证双方的随机性以此保证整体的安全。

量子计算

量子计算是一种基于量子力学的特性进行计算的新型计算模式。

为了方便介绍量子计算我们可以拿传统计算模式进行对比。传统计算中信息存储的基本单位是bit,比特使用二进制,一个比特代表“0”(非激活态)或者“1”(激活态)两个状态中的一个。而量子计算中一个量子信息处理的基本单位被称为来拿量子比特,他的原理就是利用单电子自旋的原理。对于一个最小单元处于激活态被称为“1”处于非激活态被称为“0”,方向向上被称为另外一个维度的“1”方向向下被称为“0”。

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qubit vs bit

量子计算是利用量子的“叠加和纠缠”的特性。“叠加”使量子比特能够存储多个信息状态;“纠缠”保证当多个相互纠缠的量子比特其中一个的状态改变的时候其余量子比特的状态会瞬时进行改变。也就是说,处理一个量子比特的储存信息的时候,其他量子比特的存储信息会同时被计算出来,从而产生超快的计算速率。

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量子叠加&量子纠缠示意图

量子计算相对于经典计算有什么优势和缺陷呢?

优势就是在特定领域量子计算的速度远大于经典计算模式。举个例子,目前世界最强的超级计算机是神威·太湖之光,运算速度是每秒9.3亿次;而一台50量子比特的运算速度达到每秒1125亿次,瞬间秒杀世界最强超级计算机。

劣势是现阶段的量子计算非常不稳定,而且精度差错误率高。原因是量子比特的叠加和纠缠状态是非常脆弱的,不能收到一点干扰,现有量子计算机几乎全部需要在低温条件下工作,这好比拿一根很细的针顶起一个鸡蛋,稍有干扰,结果就会变得一片狼藉。


3.量子计算机是什么?

提到量子计算,就不得不说一说量子技术应用的基础设备——量子计算机。量子计算机是存储及处理量子信息的物理装置。当前对于量子计算机尚没有立即可操作的实际应用,其未来也将是科学研究的意义大于商业应用。

量子计算机的架构原理是什么?

目前,量子计算机普遍的硬件架构原理有如下图五种。受到硬件架构的技术局限,量子位脆弱进而容易产生计算错误,这使得量子计算机难以规模化生产。

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编者整理(附件PPT第35页)

量子计算机的优势算法是什么?

有了硬件,量子计算机的组成也当然离不开软件——算法。量子计算机是解决特定问题时具有优势的,目前发现最早的两类是质因数分解和无序搜索。

Shor算法是1994年第一个发现的量子算法,可有效进行大数因子分解,意味着公开秘钥RSA体系将在量子计算机面前无密可保。

1997年诞生的Grover算法,也可称量子搜寻算法,用途很广,可以用于找最大值、最小值、平均值,更可有效攻击密码体系。


4.量子技术的发展处于什么阶段?未来有哪些可能的应用前景?

现在的量子技术处于什么阶段?

根据MIchel Devoret 和Robert Schoelkopf发表在Science上的“量子计算台阶图”,可以看出分为七个台阶:

单量子控制;多来年工资纠缠控制;量子纠错与控制;超越物理量子寿命的信息存储;单逻辑量子控制;多逻辑量子纠缠控制;量子纠错计算

我们现在在前三个台阶(单量子控制,多量子纠缠控制和量子纠错与控制)已经有一些领域实现了,比如:各大公司的量子计算机就是利用不同原理的单量子控制和多量子纠缠控制制造;量子通信是利用量子的纠错和控制实现。但是在第四个台阶(超越量子寿命的信息存储)仍处于探索阶段。比如,现在的科技界仍有一种说法“对于量子世界半分钟就是永恒”也从侧面印证了这方面研究的不足。

而且,根据“量子计算台阶图”显示,在复杂度高的技术是建立在复杂度低的技术研究不断成熟的基础上才能不断被开发。所以,总的来说我们现在距离量子技术的成熟应用还有很长的路要走。


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量子计算台阶图-Michel D.& Robert S.(编者转译)


未来有哪些可能的应用领域?

既然现在量子技术仍举例实力应用还有很多要做,科学家们热衷量子技术的原因是什么呢?我们可以通过Krysta Svore分享的两个量子模拟案例看出端倪。

案例一:生态“氮固定”

传统的氮固定方案,需要高温高压需要消耗每年全球1-2%的能量

量子解决方案:使用100-200个量子bit来模拟整个氮固定系统,可以设计出廉价花费的氮固定催化剂。


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生态“氮固定”

案例二:“碳捕捉”

传统的解决方案:减少碳排放,从排放源出发(比如污染排放烟囱)。为了固定这部分的碳需要额外消耗21-90%的能量。

量子解决方案:100-200qubit来模拟碳固定系统,可以从空气中直接固定二氧化碳。


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“碳捕捉”过程演示



原文发布时间为:2018.05.01
本文作者:WeFish
本文来源:简书,如需转载请联系原作者。

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