原文:因为本人对像量子力学这类给人神秘感的物理学科很有兴趣,所以在听完了郭弘老师的《量子信息技术》的课后,又被激发去了解了一点量子计算机的相关信息并在此将本人能理解的一部分作一个小的总结。因为本人知识水平有限,错漏之处,敬请指正。

概念

量子计算机,简单说来,就是实现量子计算的机器。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

优势

(1)快

量子计算机对每一个叠加分量实现的变换就相当于一次经典计算(就是经典计算机所做的计算),而所有这些经典计算都能同时完成,并叠加起来,给出结果(这样的计算称为量子并行计算),因此计算能力大大超过今天的计算机。

解析:因为普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个,而量子计算机中的2位量子位寄存器可以同时存储这四个数。因为每一个量子比特(qubit,与经典比特相对应)可表示两个值。如果有更多量子比特的话,计算能力就呈指数级提高。因此量子计算机的计算效率是2的n次方,n是量子比特的位数。量子计算机如果有1000个量子比特,就在每一步作2的1000次方次运算。而当今的经典计算机,仍然是一次只能做一件事情。

(2)可以用来模拟量子系统

人们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(一种随机模拟方法,以概率和统计理论方法为基础,将所求解的问题同一定的概率模型相联系,用电子计算机使用随机数实现统计模拟或抽样,以获得问题的近似解)在经典计算机上做数值计算,便可以精确地研究量子体系的特征了。

(3)进行大数的因式分解(同时可应用于搜索破译密码)

相对于传统电子计算器,利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。

注:大数的因式分解是数学中的一个传统难题,现在人们普遍相信大数的因式分解不存在经典的多项式算法,即经典计算机不懂如何大数的因式分解,这一结果在密码学中有重要应用,因此说量子计算机可应用于搜索破译密码。

困难

(1)干扰

量子计算必须利用量子的相干性,遗憾的是,在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中,量子比特不是一个孤立的系统,它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即退相干。在量子计算时,对量子系统最轻微的干扰(光或电磁辐射)都会引起计算的瘫痪,也就是不一致。因此量子计算机在进行计算时必须与外界全部隔离开来不受任何干扰。

(2)错误纠正

因为彻底隔离量子系统是非常困难的,因此必须开发错误纠正系统。Qubits不是数值数据,因此就不能采用传统的像3倍冗余法之类的错误纠正方法。由于量子计算的特性,使其错误纠正非常困难,即使单个的错误,都会引起整个计算的无效。这一领域现在已有了相当的发展,现在已经开发出了9qubits(1个计算位,8个纠错位)和5qubits(1个计算位,4个纠错位)的纠错算法。 浅谈量子计算机-量子客

(3)得到结果

与前面两项紧密联系的,是在量子计算的数据被破坏之前得到结果。在一个500qubits的量子计算机中,如果进行量化的话我们仅有2的500次方分之一的机会得到正确的结果。因此,必须确保,一旦计算完成进行结果输出时,输出值是正确的。对付这个问题的方法,贝尔实验室的Lov Grover已经用他的数据库查找算法得到了,就是依赖于量子计算机中可能的波形。一旦计算完成,将根据量子状态的恢复灵敏度来检测正确的结果。

(4)能耗、寿命、散热

在运行一系列超高速高难度的运算背后,是可怕的能量消耗。假设1吨铀235通过核发电机1天能提供7000万千瓦时电量,那这些电量在短短的10天内就会被消耗殆尽。

如果一台量子计算机一天工作4小时左右,那么它的寿命将只有可怜的2年,如果工作6小时以上,恐怕连1年都不行。

假定量子计算机每小时所产生的热量能使自身温度升高70摄氏度,那么2小时内机箱将达到200度,6小时恐怕散热装置都要融化了。如今世界上第一台商用量子计算机D-Wave One在散热方面的要求非常苛刻,必须由液氦全程保护。

发展

目前,美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大学四个研究组已实现了7个量子比特的量子算法演示。

2007年2月,加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机。虽然这尚未经科学检验,但如果他们是诚实的,那这个工作的意义就非常重大了。或许,可以实际应用的量子计算机真的会在未来十几年内出现了。

2010年3月31日,德国于利希研究中心发表公报:该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机,在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。

世界上第一台商用量子计算机:加拿大量子计算公司D-Wave在上年正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”。它采用了128-qubit(量子比特)的处理器,理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。不过,这个大家伙现在还只能处理经过优化的特定任务,通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手,而且编程方面也需要重新学习。 D-Wave One在散热方面的要求也非常苛刻,必须由液氦全程保护,但这至少比原型机离不开接近绝对零度的液氮好多了。最后就是价格,D-Wave One目前的售价高达10000000美元,也就是一千万美元!这绝对是天价中的天价了!不过这也是新技术开端的必然,就像当初第一台电子计算机ENIAC造价就有40万美元(20世纪40年代的40万美元)。

浅谈量子计算机-量子客
D-Wave One量子计算机系统
浅谈量子计算机-量子客
D-Wave One量子处理器晶圆

今年,瑞典皇家科学院授予塞尔日·阿罗什和大卫·维因兰德诺贝尔物理学奖以奖励他们用“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”,即实现了量子世界里的粒子控制。在不破坏单个量子粒子的前提下他们实现了对其的直接观测,两位获奖者以这样的方式为量子物理学实验新纪元打开了一扇大门。他们的发明使得量子计算机的发展又向前迈出了一大步。

展望

在上一个世纪,传统计算机给我们的生活带来了翻天覆地的变化,或许,在21世纪,量子计算机也将会以同样根本性的方式改变我们的日常生活。