量子计算机来了

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量子,一听这个词,你会不会觉得它只属于高端科学,和我们的生活没有什么太紧密的联系?现今,计算机与量子发生了奇妙的“结合”,那就是量子计算机.

量子计算机（Qantumputer）,遵循量子力学的规律,进行高速的数学和逻辑运算,是存储和处理量子信息的装置.如果装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法,那这个装置就是我们下面要谈的量子计算机.量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究,研究可逆计算机的目的就是为了解决计算机中的能耗问题.

只闻其名,量子计算机,大概就能猜到它是实现量子计算的机器.要说清楚量子计算,首先要先看经典计算.经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器,其算法是由计算机的内部逻辑电路来实现的.1920年,奥地利人薛定谔、爱因斯坦、德国人海森伯格和狄拉克共同创建了一个前所未有的新学科——量子力学.量子力学的诞生为人类未来的第四次工业革命打下了基础,在此基础上发现了一项新技术,那就是量子计算机.量子计算机的技术概念最早由理查得·费曼提出的,后来经过若干年的研究,这项技术已初见成效了.

2013年5月23日,Google与NASA（美国宇航局）合作建立了一个实验室,其目的就是研究量子计算机.Google与高校空间研究协会（与NASA有密切合作的非盈利组织）购买了量子计算机,开始进行量子计算的研究工作.

量子计算与传统计算的区别

传统计算机利用几百万个电子晶体管进行数字运算,将0和1作为基本元素.量子计算则完全不同,它更有弹性,不再使用二进位代码,取而代之的是量子位元,又叫量子比特,它可以同时代表0和1.

传统计算机在0和1的二进制系统上运行,但量子计算机要更为强大,它可以在量子比特上运算,可以计算0和1之间的数值.假想一个放置在磁场中的原子,像陀螺一样旋转,它的旋转轴可以不是向上指就是向下指.按常识理解原子的旋转可能向上,可能向下,但不可能既向上又向下.但在量子世界里,原子被描述为两种状态的总和,它一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和,即每一种物体都可以被使用所有不可思议状态的总和来描述.

换一种表述,传统计算机只能使用“开”和“关”两种状态来控制电流,而量子计算机具有“开”和“关”同时存在的第三种状态,这是量子世界不同于粒子世界的特性.使用量子计算机能并行处理更多的信息,计算速度远超传统计算机.要进行量子计算并不容易,但在某些传统计算机容易失败的领域,它却可以充分发挥优势.

量子计算机依赖的是量子机制来提高其计算速度,量子机制决定了所有物质和能量的行为表现,即使只利用量子机制的简单特性,构造出的计算机表现就远远超出任何一台超级电子计算机.加拿大公司D-We表示,它的“Orion”只是传统计算机的补充和增强,并不是要取代谁.换句话说,量子计算机还没有发展到可以“独领”的地步.

用一个简单的例子来描述量子计算机和传统计算机的差别：在一个虚拟界面上存在山冈和低谷,目标是找到最低点.传统计算机是从一个点开始寻找,不断搜索,有系统地搜索：是这里吗?这里呢?查找的过程很慢,除非有无限的时间和无穷的耐心,否则就只能选择“足够好”.现在的答案固然不错,但新的、更低的点也许在几次计算后才出现.相比量子计算机的效率就要高得多了,因为它可以同时用多个标准来评估,从而大大改进计算的效率.

量子计算机无法替代传统计算机

IBM和微软等许多公司都在研究量子计算技术.D-We是唯一销售量子计算机硬件的厂商,公司表示,在少数复杂问题上,量子计算机的速度要比传统计算机快5万倍.但需要注意的是,“高速”是有前提的,因此所谓的高速是受条件限制的.如果你只想发个、听首音乐,量子计算机不会让你觉得有什么太大的区别,但要完成复杂任务就不同了.GoogleResearch工程主管表示,希望量子计算机可以让研究人员更有效率地工作,更准确地为一切研究建模,包括语音识别、网络搜索、蛋白质折叠等.

因此,量子计算机不会很快淘汰传统计算机,它有自己的限制,而且它很难建造,价格很高.到目前,量子计算机大多是基于理论的,量子人工实验室设立的目的之一就是推动理论的发展.它的目标是将理论用于实践,解决现实问题,为真正的量子设备编写代码.

Google为什么对量子计算机感兴趣

Google对新技术一直很痴迷,社交网、可穿戴设备、自驾汽车,现在又是量子计算机.这些项目的相似之处,就是它们都可以强化公司的数据中心基础设施.

Google希望利用量子计算更好地理解人类的语音提问,这项技术不只可以用在搜索引擎上,还可以用在移动应用上,如GoogleNow和GoogleMaps.

Google称：“我们已经开发一些量子机器学习算法.当中一些可以提高识别能力,比如在移动设备电源不足时识别.一些可以处理高度污染的训练数据,在现实世界中,许多时候数据被贴错标签.我们还可以从中学习到一些经验,比如,纯粹使用量子计算不会得到最好的结果,将量子计算与传统计算结合会更好.”

在谷歌的量子人工智能实验室当中,量子计算机会先进行机器学习,这是电脑学习的信息模式,可以提高它们的输出“吞吐量”.然后,量子计算机要负责进行个性化的互联网搜索和以GPS数据预测交通的拥堵情况.另外,还要进行面部或语音的识别、生物行为,或者是庞大且复杂的系统管理工作.

Google博客表示,如果世界需要建立有效的环境政策,就需要建立更好的模型来描述全球的天气和气候,否则就不会有令人信服的证据.

谷歌已经为量子计算机修改了机器学习算法,这种算法原本由D-We系统公司设计.D-We向洛克希德·马丁公司出售了首台商用量子计算机,洛克希德公司官员表示,计算机会被用于测试和测量工作,如喷气飞机的设计或卫星系统的可靠性.

量子计算机的广阔前景

近年来,由于社会对高速、保密、大容量的通讯和计算的需求,促进了量子信息、量子计算理论和实验的迅速发展.

2007年2月,加拿大D-We系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机.

2009年11月,世界首台量子计算机正式在美国诞生,这一量子计算机由美国国家标准技术研究院研制,可处理两个量子比特的数据.较传统计算机中的0和1比特,量子比特能存储更多的信息,其性能大大超越传统计算机.

2010年3月,德国某研究中心发表公报称其超级计算机成功仿真42位量子计算机.在此基础上,研究人员首次可以仔细地研究高位数量子计算机的系统特性.

IBM的科学家在量子计算方面取得重大突破,2012年1月完成系列量子计算试验,在绝对零度条件下证实了通过量子技术一秒钟可以进行亿万次运算.传统计算机数据位非0即1,而一个量子可以拥有0、1以及同时0与1三种状态.这项技术突破允许科学家在初步计算中减少数据错误率,同时在量子位中保持量子机械属性的完整性.

量子计算机可以进行大数的因式分解和Grover搜索破译,但是同时也提供了另一种保密通讯的方式.在利用EPR对进行量子通讯的实验中发现,只有拥有EPR对的双方才可能完成量子信息的传递,任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息.正所谓解铃还需系铃人,这样实现的量子通讯才是真正不会被的保密通讯.此外量子计算机还可以用来做量子系统的模拟,一旦有了量子模拟计算机,就无需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡罗方法在传统计算机上做数值计算,便可精确地研究量子体系特征.

迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机.但是,世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个“量子梦”.如何实现量子计算,方案很多,问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实困难.未来,也许现有的方案都派不上用场,最后脱颖而出的是一种全新的设计.

我们期待真正量子计算机的到来!