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精,一文读懂量子计算

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量子计算机是怎样工作的、为什么它如此强大、它可能在哪些方面最具用途?

 

量子计算机利用量子力学的某些近乎神秘的力量来实现计算能力的巨大飞跃。量子机器甚至有可能超越当今最强大的超级计算机。

 

但是,量子计算机并不会完全替代传统的计算机。因为使用经典计算机仍然是解决大多数问题最简单、最经济的解决方案。但量子计算机有望在材料科学和药物研究等各个领域大放异彩。部分公司已经在试验将其应用于汽车行业和制药业,在开发更轻便,更强大的电动汽车电池、创造出新的药物方面有所突破。

 

量子计算机能力的诀窍在于它能够制备量子比特并对其进行控制。

 

什么是量子比特

 

一方面,现在的计算机使用比特 (bit),它是一种表示1或0的电脉冲或光脉冲流。从微博、微信、iTunes歌曲到视频服务的所有内容都是这些二进制数字的长串。

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而量子计算机则使用了量子比特,其物理载体通常是亚原子粒子,例如电子或光子。就量子计算机而言,制备量子比特并对其进行控制是一项科学挑战。一些如IBM、谷歌、Rigetti Computing、阿里巴巴、本源量子等公司,在量子计算机运行时,超导电路的冷却温度几乎接近宇宙最低温。而其它像IonQ 一样的公司,则在超高真空室中的硅芯片电磁场中去捕获单个原子。通过这两种方法,能够将量子比特隔离以达到控制的目的。

 

量子比特具有一些离奇的属性:它们的连接组可以提供比相同数量的二进制位更高的处理能力。一个属性称为叠加(Superposition),另一个则称为纠缠(Entanglement)。

 

什么是量子叠加

 

量子比特(Qubits)可以同时代表1和0的多种可能性组合,而这种同时处于多种状态的特性称之为叠加(Superposition)。研究人员使用精密激光或微波束操纵量子比特以使它们能处于叠加态。

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由于这种与我们现实违背的现象存在,具有多个量子比特叠加的量子计算机可以同时使得大量潜在的计算结果相互消融,导致其量子比特状态“坍塌(collapse)”为1或0,因此计算的最终结果,仅在测量量子比特时出现。

 

什么是量子纠缠

 

研究人员可以制备“纠缠”的量子比特对,即是说一对量子比特对的两个量子比特存在于单个量子状态,当研究人员以可预测的方式改变其中一个量子比特的状态时,另一个量子比特的状态将瞬间改变。即使它们距离远隔宇宙之遥也会发生这种情况。

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没有人真正知道量子纠缠是通过怎样的方式产生影响的,甚至让爱因斯坦也感到困惑,他曾将其描述为“鬼魅般的超距作用”。但量子纠缠是量子计算机凸显强大力量的关键因素。在传统的计算机中,将二进制位数加倍会使其处理能力加倍。但由于纠缠的特殊能力,在量子机器中添加额外的量子比特则会使其数字运算能力呈指数级增长。

 

量子计算机在量子daisy链中利用纠缠的量子比特来发挥它们的魔力,而其之所以有潜在的嗡嗡声是由于使用专门设计的量子算法以加速计算的缘故。

 

量子计算机能够加速计算是个好消息。但坏消息也随之而来:由于退相干的存在,量子计算机比传统计算机更容易出错。

 

什么是退相干

 

量子比特与环境之间的相互作用会导致量子行为衰减甚至最终消失,这被称为“退相干(Decoherence)”现象。量子比特的量子态非常脆弱,实验室中,“噪音”的最轻微振动或温度扰动的变化都可能导致它们在工作正常完成之前就发生量子行为的衰减。这就是为什么研究人员在那些超低温的制冷机和真空室中实验,以尽力保护量子比特不受外界影响的原因。

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尽管研究人员已经足够努力,噪音依然会导致许多计算错误,而这将削弱量子计算机的大量计算能力。虽然一些量子算法可以纠正一部分错误,并且添加更多量子辅助比特也会有一定的帮助。但是,它可能需要数千个标准量子比特才能创建一个高度可靠的“逻辑”量子比特。

 

还有一个问题亟待解决:到目前为止,研究人员还无法构造超过128个标准量子比特的计算机。因此,我们距离量子计算机的广泛应用还有些时间。

 

但这并没有削弱开拓者希望成为第一个展示“量子霸权”团队的希望。

 

什么是量子霸权

 

量子计算机可以完成某些数学计算,即使是目前最强大的超级计算机也无法做到。

 

目前还不清楚究竟需要多少量子比特才能实现这一目标,因为研究人员不断寻找新算法来提升经典机器的性能,而超级计算机的硬件也越来越好。同时研究人员和部分团队也正通过对世界上最强大的超级计算机进行测试以期待实现该目标。

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研究界对于实现这一里程碑的重要性有很多争论。但有些公司在“量子霸权”(Quantum Supremacy)的说法未被证实之前就已经开始试用由IBM、Rigetti 和加拿大D-Wave等公司制造的量子计算机。像阿里巴巴这样的中国公司也能够提供量子机器。一些企业购买量子计算机,而另一些企业则正在使用通过云计算服务提供的量子计算机。

 

量子计算机在哪些方面可能最有用

 

量子计算机最有希望的应用前景之一是模拟物质在分子状态的行为。像大众汽车和戴姆勒这样的汽车制造商正在使用量子计算机模拟电动汽车电池的化学成分,希望可以帮助找到改善其性能的新方法,而制药公司利用它们来分析和比较可能创造出新药的化合物。

 

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量子计算机也非常适合用于优化问题的解决方案,它们可以非常快速地处理大量潜在的解决方案。例如,空中客车公司正在将其应用于帮助找出飞机最省油的上升和下降路,而大众汽车公布了一项服务,即计算出城市公交车和出租车的最佳路线,以尽量减少拥堵。一些研究人员还认为量子计算机可用于加速人工智能的发展。

 

量子计算机可能还需要一些时间才能充分发挥其作用。目前从事该领域研究工作的大学和企业正面临着人才严重短缺的问题,而且缺乏一些关键部件的供应商。但是如果这些新构建的量子计算机能够发挥其性能,它们将颠覆整个行业的发展并推动全球新局面。(注:以上图片来源:MIT Technology Review)

 

本文来源:微信公众号Qtumist

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延伸阅读

01 独立于量子计算的”量子计算“
02 IBM Q System One,世界上第一台商用量子计算机
03 量子计算,实用化又更近一步
04 量子计算机如何实现量子霸权
05 HQS | 有望2020年商用的量子化学模拟

 

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Caroline ▏ 整理
量豆豆 ▏ 校对
Core ▏ 编辑

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