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发布时间:2019/8/12 15:16:00 访问次数:46 发布企业:深圳振华航空半导体有限公司


80年前在“量子纠缠”这个词还没有出现时,爱因斯坦便对这个现象表示深度怀疑,称粒子这种远距离的怪异行为根本是不可能的。而如今“量子计算机”已经成为本世纪一个标志性黑科技,其迅猛发展速度可以用“飞跃”一词来形容。当量子应用与“计算机”联系起来的那一刻起,我们人类就进入了一个“戏剧性”时代。

近日,美国《科学》杂志报道,由浙江大学、中科院物理所、中科院自动化所、北京计算科学研究中心等国内机构联合组成的团队,开发出了20个超导量子比特的量子芯片,并成功操控全局纠缠,刷新了固态量子器件量子比特数的世界记录。不要觉得这个数字少,量子芯片每增加一个量子比特其运算能力将以指数倍增加。

中国造出20超导比特量子芯片

奇妙量子世界的冰山一角

量子计算机概念起源于上世纪80年代著名物理学家费曼的设想:既然物质的本质就是量子的,我们能否造一台遵循量子物理规律的计算机呢?让我们一起走进这个奇妙量子世界的冰山一角-量子计算机。

量子计算是基于量子理论原理的一种技术,这种技术基于原子和亚原子水平上能量和物质的本质,就是量子力学中经典的一些现象,如量子叠加和量子纠缠。

1930年着名的思想实验薛定谔猫,就旨在强调量子叠加现象的这种“荒谬性”,即量子世界里可以同时存在多个状态,直到观察或测量才能改变这种状态的原理。如今量子计算机的“量子比特” 就是利用了这一原理。即每个量子比特以零和一的叠加的形式存在(即概率零或一)。量子比特芯片的开发对处理海量数据和实现以前无法达到的计算效率具有深远影响,这也是量子计算机最诱人的潜力之一。

量子芯片

当薛定谔研究薛定谔猫时,爱因斯坦也正在观察这种现象,他称之为“幽灵行为”,这些粒子传播速度似乎超越了光速,观察到了纠缠在一起的电子。纠缠是指观察到来自相同量子系统的粒子的状态不能彼此独立描述,即使它们相隔很远,它们仍然是一个整体,如果你测量其中一个粒子,其余的粒子似乎立即就会“知道”状态也会随之发生变化。当前用于测量量子缠结粒子距离记录是1200公里。

假如量子力学这种“不确定性”现象让你感到困惑,不用奇怪,当初就连爱因斯坦和薛定谔都有这种感觉,薛定谔就曾说过:“我不喜欢它,我很遗憾自己曾经做过的这些量子力学研究。”

薛定谔的猫

量子计算机和传统计算机有什么不同?

目前世界各国研究机构所采用的量子计算方法各不相同,因此无法对其工作方式进行统一解释。但都会遵循一个基本原理,这个基本原理就可以帮助我们了解经典计算和量子计算之间的区别。

传统的电脑是二进制的,也就是说每个存储单位只能存在两种状态中的其中一种,即0或1。如果将足够多的这些单元组合在一起,则可以表示任何大的数字,并可以对其依次进行各种计算,计算机芯片越强大,运算速度就越快,互相访问的速度也就越快。

量子计算机

而量子计算机与传统计算机在两个方面有所不同:

首先是量子叠加优势,量子计算机使用的是量子比特,量子比特叠加就是两个状态可以“混合”存在,而不只是限定是0或1中的其中一个,可以理解为既是0也是1。这样的优势可以使量子计算机有更高的运行效率。

量子叠加

其次是量子纠缠优势,这是一种独特的量子物理现象,即不同粒子之间的关联性,其中一个粒子量子态发生变化也会影响到其他粒子,当这个现象应用到量子计算机时,就意味着可以同时操控所有的粒子单位。也就是说,量子计算机可以同时完成所有单位计算,而不用像传统计算机那样只能一个接一个的数据运算。量子芯片内的亚原子粒子可以同时表现出无数状态。

美国宇航局在2016年建造的量子计算机比传统计算机速度快1亿倍。

量子纠缠

如果我们把芯片中的存储单位想象成地球,那么传统计算机二进制状态就相当于地球的“南北极”,如果北极是0,那么南极就是1。而在量子计算机的量子比特中,整个球体表面任何位置都可以容纳无数这种状态,并且在量子比特之间关联这些状态就能确定其相关性,所以量子计算机非常适合那种传统经典计算无法胜任的各种特殊任务。

量子比特

关于量子比特计算运作原理,我们普通人能理解以上就已经足够了。让我们继续谈谈量子计算机将如何帮助我们人类创造一个更美好的世界。

(以上部分资料引自IBM-TJ沃森研究中心量子计算实验室)

未来量子计算机会实现哪些应用?

造福人类的强大技术

传统计算机的计算能力正在达到极限,如果继续按照摩尔定律的发展趋势,到2040年世界上所有电能都无法支撑现有计算机的功耗,除非能破解量子计算。

神奇的量子计算技术吸引着世界众多巨头对其潜在应用的开发,其本质目的是帮助扩展经典计算机的计算能力。量子计算机将比传统计算机更有效地执行某些特定的任务,可以运行特殊的应用程序。量子计算机不会取代传统经典计算机,实际上量子计算机需要传统计算机来支持它们的运算能力,比如:系统优化。

量子计算机

系统优化

系统优化是量子计算机最直接,最有前景的应用之一,比如滴滴打车、共享汽车、如何给客户提供最优质、最安全的乘车资源;交通管理系统如何提升分析交通流量的控制能力,更快速的计算最佳路线;而对于像阿里巴巴淘宝这样的电商巨头来说,可能最亟需解决的就是在双11期间如何做出数十亿订单的成本效益分析。以上这些问题看似简单,但却要涉及到同时处理成千上万的变量,这即使对现在最先进的超级计算机来说也是一个“不可能完成的任务”。

天气预报/气候模拟

与系统优化类似,现在天气预报有时会出错的原因就是超级计算机无法处理海量的环境变量,包括恶劣天气数据收集,比如这次的“利奇马”台风。但使用量子计算机情况就不一样了,气象量子计算机不仅可以完美地预测近期天气模式,还可以预测和评估更准确的长期气候变化影响。

量子天气预报

精准医疗/药物开发

精准医疗也叫个性化医疗,解码人体的DNA和每个人独特的微生物组对于未来的医生开出适合某个人身体的药物至关重要。虽然传统超级计算机在高效解码DNA方面取得了长足进步,但对于“人类微生物组计划”来说则远远超出了它的能力范围,而未来的量子计算机却可以完美胜任。

量子计算机还可以帮助大型制药公司更好更快地模拟测试数百万种药物分子组合,从而显着加快药物开发速度并降低成本。

基础科学

与上述应用类似,量子计算机的恐怖计算能力将帮助科学家和工程师能够更快的设计出新的化学品和高科技材料,以及更强大功能的发动机,当然还包括更炫酷的儿童玩具。

另外英特尔的量子计算17-Qubit超导测试芯片还具有独特的功能,可改善连接性、电气和热机械性能等。

量子科技

太空探索

如今的超级太空望远镜每天都在追踪收集数以万亿计的海量星系图像数据,还包括恒星,行星和小行星的运动数据。遗憾的是,对于今天的超级计算机来说,这些海量数据已经超过了其运算能力范围,难以在其中筛选出更有意义的发现。但是,随着将来成熟的量子计算机与人工智能技术的结合,所有这些数据最终将能得到有效处理,从而为人类的太空探索之旅打开新的大门。

人工智能

人工智能(AI)领域应用是让科学家兴奋的一个话题,因为这种改进的自然学习能力可以加快几十年人工智能研究的进展。传统计算机的人工智能学习算法需要大量的策划和标记示例数据来学习训练新的技能。而通过量子计算机,人工智能学习软件就可以模拟人类大脑的学习模式,从而可以使用更少、更模糊的数据,通常只需很少的几个指令即可以训练学成新的技能。

量子AI

实时语音对话翻译

量身定制的量子计算机还可以通过实时聊天软件和耳朵中可穿戴设备或植入音频设备,在任何两种语言之间实现近乎完美的实时语言翻译,从而终结翻译这个职业。

不远的将来,语言将不再是不同国家商业和日常沟通的障碍。例如,你可以更自信地与外国人建立商业合伙人关系,甚至你可以很容易找到一段跨国恋情。

数据加密/解密

量子计算在密码学中也具有及其重要应用。讽刺的是,量子计算机的解密应用,是让科研人员和国家安全机构都很紧张的一个应用。当前几乎所有的加密服务都基于密码,这些先进算法密码的安全性,即使使用现代超级计算机也需要数千年才能破解,然而,量子计算机理论上可以在一小时内破解任何加密密钥。

银行、通信、国家安全服务以及互联网本身都是依赖于可靠的加密功能。还有比特币,因为它的核心技术就是加密。如果量子计算机像预想的那样强大,那么上面提到的所有这些行业都将处于危险之中,最坏的情况就是会危及整个世界经济,直到我们创建起新的量子加密体系来维持这个平衡。麻省理工学院数学家认为,量子计算机将会打破当前的互联网的加密算法模式。这将构建可以承受量子攻击的新数据加密方法,从而开启“后量子加密时代”。

量子数据加密

量子计算机还将有助于推动解决其他领域的一系列难题,如能源、金融和航天等,量子计算机强大的运算能力还将帮助我们攻克疑难疾病,改善全球金融市场,疏通交通,应对全球气候变化等。量子计算机还可能会对化学产生巨大影响。传统计算机难以模拟某些化学反应,量子计算机将有望担起重任。

量子计算机关于投资,专利,创业项目等方面的增长

最新全球投资和专利申请数据反映了这两个领域的上升趋势。据《经济学人》报道,2015年,全球20个国家量子计算研究方面总支出约为17.5亿美元。欧盟以6.43亿美元为首,美国为4.21亿美元,其次是中国2.57亿美元,紧随其后的德国1.4亿美元,英国1.23亿美元、加拿大1.17亿美元。同时,根据全球公司专利检索,美国在量子计算相关专利申请中占据295项,其次是加拿大79项、日本78项,英国36项和中国29项。

奇妙的量子世界

量子计算机即便普及了能做什么呢?对我们普通人又有多大意义呢?

就像第一台家用电脑诞生一样,当时人们也不清楚计算机到底能解决我们日常生活中的什么问题,但随着家用电脑的普及,我们已经越来越离不开它。所以,当IBM第一台小型量子计机诞生开始,人类就已经进入了量子计算机的时代。我们可能会发现更多新的需求,这将为我们尚未想象到的新应用开辟新的道路。

虽然现在的量子计算机还非常笨重,只能在专门搭建的极底温度环境中工作,但相信在不远的将来,量子计算机将会进入千家万户,应用到更广阔的领域,在这个新的领域里一切皆有可能。

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