引言

在人类历史长河中,人类所掌握的技术由大脑,火器,尖锐的木棍构成。当火把,木棍,演变成原子能和发电站的时候。人类的大脑经历了最大程度的升级。自从1960以来,我们的“大脑”这台机器的能力是呈指数的增长。与此同时经典经典计算机呈现着向体积更小和运行能力更强的方向发展。但是这个发展在物理上遇到了瓶颈。经典计算机真正趋近一个原子尺度的大小。为了理解为什么会出现这个问题,我们必须先弄清楚一些基本问题。

经典计算机是由一些简单的零部件构成的用来完成一些简单的任务。例如:数据的表示、信息处理的手段以及操控机制。经典计算机的芯片包含逻辑门,其中这些门都是由晶体管构成。晶体管是经典计算机数据处理中最简单的形式。基本上是一种控制信息传播的开关。这种信息是由比特组成,通常定义为0或1.

揭秘档案【量子计算机】-量子客

结合一系列的比特,就可以用来组成更复杂的信息。集成晶体管可以组成可以完成基本任务的逻辑门电路材料。例如,如果是AND门,除非输入都是1输出才会是1,否则输出就是0。所有的门结合起来,最终会形成有价值的模块,这些模块可以添加两个数字。一旦添加成功,你就可以进行并联,一旦并联了,你基本上就可以做任何事情了。因为这些基本操作比一年级数学更简单。你可以想象一下,一台经典计算机在7年里都在进行基本的数学运算。它们中大部分可以计算出所有问题的解,从天体运动的轨道到生物的进化的基因组合。然而当我们所研究的东西越来越小。量子物理会让事物变得更简单,在电脑里晶体管只是一个电子开关。电子定向移动产生了电流。所以这个开关其实就是一个通道,它可以阻断电子的定向移动。当今普通的晶体管只有14nm。这个相当于HIV病毒直径的1/8,是红细胞的1/500。晶体管正在趋近于几个原子的大小。电子可以自由移动到闭塞通道的另一边,这个过程在量子物理中通常被称为“量子隧穿”。

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在量子领域,物体的运动是不能被预测的,经典计算机就会停止工作。在科技发展的进程中我们遇到了一些真正的物理上的障碍。为了解决这些问题。科学家正在尝试利用这些通用的量子特性来建造量子计算机。在通常的计算机中,比特(字节)是信息的最小单位。而量子计算机所涉及到的量子比特,可以设置为任意0与1的组合值。任何的二能级量子系统都可以被视为一个量子比特,比如粒子的自旋,磁场,单光子等。0与1是体系中可能存在的两种状态,就像光子的水平极化或者垂直极化一样。在量子世界,比特并不包含其中,它可以是任意太的叠加。但是只要你一旦尝试通过过滤器发射光子,它就会被确定到要么是水平极化,要么是垂直极化两种状态。所以只要它们没有被观测,那么 比特就处于0和1的概率性的叠加,但是你不能够预测其状态。但是一旦你测量它,它就会塌缩到已经定义好的态,叠加是这一个过程的转折点。

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对于经典比特而言,它可以是四种不同组分中的其中的一半。这时会产生16种可能的组合。但是你只能运用其中的一种。量子比特的叠加,可以同时产生这16种不同的组合。每增加一个比特,这个数字都会成指数增长。当有20个量子比特的话,它就可以并行存储一百万个值。一对互相有某种关联和不确定的性质的量子比特能够形成纠缠。这种纠缠可以使得每一个量子比特瞬间改变,无论量子比特相距多远。这意味着,在测量一个纠缠的量子比特的状态,可以直接影响它对应量子比特的状态。

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量子比特的操作,同样也是一种意念的弯曲。一个普通的逻辑门有一组简单的输入就会产生一个确定的输出。量子门可以操纵叠加旋转概率的输入,产生另一个叠加作为输出。所以一个量子计算机,设置一些量子比特,组成量子门。这些量子门可以相互连接和操作,最后测量出的结果会塌缩到一系列0或1叠加的结果。这意味着你同时设置所有的计算任务,一遍就可以计算出结果。最终在众多的计算结果中,你只能概率性得到你想要的结果。所以你可能需要多检查计算机几遍,但是通过巧妙地利用叠加和纠缠,它的效率可能呈现指数增长。这是普通经典计算机永远无法实现的。因此尽管量子计算机在某些领域永远不可能取代我们现在的家用电脑,但是它们依然非常的卓越。它们其中一个就是数据搜索。如果你想要寻找一些数据,经典计算机可能需要测试每一个条目,但是量子计算机算法,只需要经典计算机算法操作次数的平方根次数就足够了。

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对于大量的信息库来说量子计算机的意义非凡。最著名的量子计算机的使用是应用了信息技术安全。现在你浏览电子邮件和银行数据都处于加密安全系统的保护下。应用了这种安全系统,你给每一个人公共密钥编码消息,只有你能解码。但是这种公共密钥实际实际上可以用来计算你的私钥。幸运的是在普通计算机上做任何的必要的数学计算,都是需要很长一段时间来进行尝试和实验,但是具有超高速的量子计算机可以轻而易举的做到。另一个令人激动的新用途是模拟实验。量子世界的模拟实验对资源的需求的非常巨大,甚至需要更大的结构比如分子结构等,但通常缺乏精度。为什么不用直接的量子物理学来进行模拟实验呢?量子模拟实验,能够提出关于蛋白质很有可能很有可能引起医学革命的独到见解。现在我们并不知道量子计算机是否能够成为一种专业工具或者是人类社会的巨大变革,我们不知道什么事科技的瓶颈,找出它的方法也许只有一个。

 

 

参考资料:

澳大利亚学院量子计算机相关资料

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