雖然無數(shù)次聽過量子計算機(jī)的大名,但就像所有帶“量子”兩字的概念,人們大多不甚了然。
量子計算機(jī)的概念1980年代提出,投入研發(fā)20年,迄今還沒有一臺真正走出實驗室。但傳說它(將來會)很厲害。谷歌、IBM、阿里巴巴和許多初創(chuàng)公司在競爭,想第一個實現(xiàn)“量子霸權(quán)”,也就是讓量子計算機(jī)在一個計算任務(wù)中快過傳統(tǒng)計算機(jī)。
粗淺了解一點量子計算機(jī)的原理后,你會發(fā)現(xiàn)其實它和我們熟知的電腦差不了多少。
量子計算機(jī):量子版的計算機(jī)
“別把量子計算機(jī)想成全新的系統(tǒng),它就是經(jīng)典計算機(jī)的擴(kuò)展版,處處模仿經(jīng)典計算機(jī)。”安徽問天量子科技股份有限公司首席科學(xué)家、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點實驗室韓正甫教授告訴科技日報記者。
韓正甫說,經(jīng)典計算機(jī)以電壓高低代表數(shù)字1或0,即為一比特(bit)。
而量子計算機(jī)里對應(yīng)的是量子比特(Q-bit),那可能是自旋箭頭向上或向下的一個電子,也可能是“立直振動”或“躺平振動”的光波……
傳統(tǒng)計算電路由各種“邏輯門”組成,對應(yīng)的就是量子計算機(jī)的各種“量子邏輯門”。都是根據(jù)一定的規(guī)則,變化存儲位的0和1。
韓正甫說:“傳統(tǒng)計算機(jī)是這么玩的:一排存儲位寫進(jìn)去一個初值(比如10011001)。接下來若干步操作,每一步存儲器里邊的數(shù)都變換成另外一組數(shù)。走完程序停下來,把里面的數(shù)讀出來,比如00101010,就是計算結(jié)果。”量子計算機(jī)同樣如此。
量子計算機(jī)不同之處,是丘比特(Q-bit)特別靈活,沒bit那么死板。它同時是0和1。比如:它是六成的0和四成的1。這讓它有了超能力。學(xué)過一點量子力學(xué)才能理解Q-bit的奧妙。
模糊又精確的Q-bit
什么叫“它是六成的0和四成的1”呢?
補(bǔ)習(xí)一下高中物理:20世紀(jì)初的實驗發(fā)現(xiàn),物質(zhì)細(xì)小到極限,就無法被準(zhǔn)確測量。因為測量意味著干涉,哪怕你只看一眼。當(dāng)對象微小到了量子級別,它的狀態(tài)會被觀測徹底破壞。(順便一說,“一觸即潰”的效應(yīng)被用于量子通信。用量子來承載密碼,可以做到有人竊聽這個密碼信號,一定會被發(fā)覺。)這就叫“測不準(zhǔn)原理”。東西越小,就越顯得模糊。你去測量一個電子的位置,這次測出來在北京,下次測出來在天津。我們只能說一個量子“大概率在北京”,“大概率自旋箭頭沖上”,“大概率平躺著振動”……
這些概率,是可以多次測量確定的,雖然單次測量的讀數(shù)不一定。
所以量子比特是模糊的也是精確的:同一個數(shù)時而讀出0,時而讀出1;但多次去讀,出現(xiàn)0的概率會趨于一個定值,比如說60%。
為什么量子計算更快?
“在傳統(tǒng)計算機(jī)里,一個高電壓疊加另一個高電壓,仍然是一個高電壓;量子比特的疊加則不同。”韓正甫說。
量子比特存儲的是一個矢量,就好像一個時鐘,時針對應(yīng)著概率。
時針可以指向零點(量子比特讀數(shù)100%是0),或指向三點(讀數(shù)100%是1)?;蛑赶蛞稽c半(50%是0,50%是1),或指向任意一個角度。
傳統(tǒng)計算機(jī)存儲的是“10011001”。
量子計算機(jī)存儲的是“鐘鐘鐘鐘鐘鐘鐘鐘”。(請自行想象酒店大堂掛的一排鐘表)
傳統(tǒng)計算中,1和0疊加為1,再疊加一個1,得到0。
量子計算中,“三點”和“零點”疊加為“一點半”,再疊加“三點”,得到的是“兩點一刻”。
比起bit,Q-bit更有表現(xiàn)力。一個Q-bit可蘊含無限復(fù)雜的數(shù)字。在這個意義上“以一抵多”。一個Q-bit投入變換,等于多位數(shù)字一起變換,即所謂“并行計算”。
并行計算潛力發(fā)揮到極限的情況下,量子計算機(jī)的算力比起傳統(tǒng)計算機(jī),是2^n∶1。
但要強(qiáng)調(diào)的是: 量子計算機(jī)的結(jié)果來自概率統(tǒng)計。量子計算機(jī)與傳統(tǒng)不同,它要一次次重復(fù)程序,一次次地讀數(shù)(每次結(jié)果都不一樣)。周而復(fù)始,足夠多次(讓概率的可信度超過99.99999%)后,統(tǒng)計出各量子位為1和0的比例,那才是需要的數(shù)字。所以碰上不太復(fù)雜的計算任務(wù),量子計算可能比經(jīng)典計算機(jī)更慢。
彩虹與斑馬
有量子計算機(jī)之前,數(shù)學(xué)家就在暢想利用量子比特的“豐富內(nèi)涵”大大縮減計算時間。不過迄今數(shù)學(xué)家只證明在兩種場景中,量子計算大大快于傳統(tǒng)計算機(jī)。
首先是破解RSA算法。RSA是現(xiàn)在最常用的加密方法,其機(jī)理是利用因數(shù)分解的困難——把兩個大質(zhì)數(shù)相乘很簡單,而把乘積拆成兩個質(zhì)數(shù),計算機(jī)可能得算幾萬年。
所以銀行可以公開發(fā)送一個幾千位的數(shù)字,并掌握它的兩個質(zhì)因數(shù),而不擔(dān)心有人算出這兩個質(zhì)因數(shù)——用于制造私有的數(shù)字鑰匙。
但二十多年前Peter Shor證明一種基于量子計算機(jī)的算法,可以輕松分解因數(shù),這也讓學(xué)界研發(fā)量子計算機(jī)的興趣大增。
另一種可能的應(yīng)用是“搜尋未排序的大數(shù)據(jù)庫”,或者叫“大海撈針”。傳統(tǒng)計算機(jī)只能一個一個比對目標(biāo),而量子計算機(jī)則可以并行計算。傳統(tǒng)計算機(jī)用時是T的話,量子計算機(jī)用時是“根號T”。前者要花費1百萬小時的任務(wù),后者一千小時就能解決。
除了以上兩類計算,量子計算機(jī)還被寄希望于未來在化學(xué)、制藥等領(lǐng)域大發(fā)神威。理由是:不同于傳統(tǒng)計算機(jī),量子計算機(jī)是真正的模擬計算機(jī),可以重現(xiàn)真實的自然(物理學(xué)家費曼第一個指出這點)。
傳統(tǒng)比特的0和1相當(dāng)于黑白兩色,量子比特的“可以指向任何角度的時針”就相當(dāng)于全彩色譜,可顯示出任何一種顏色。
如果說傳統(tǒng)的存儲器是斑馬,量子存儲器里就是彩虹。世界是多彩的,用彩虹去描繪世界,當(dāng)然更直接,更便捷。
才剛起步
量子很脆弱,動不動就會崩潰。
“要將信息編碼在一個非常微小的東西上去,比如一個電子,或一個原子核,都首先要把它孤立開來,讓它跟周邊不作用。這種細(xì)微的控制是很難的。”韓正甫說。
各種量子載體都伴隨著獨特的困難,比如光子時刻前進(jìn),電磁場又左右不了它,操控起來很麻煩。目前研究者大概在實驗幾十種載體:電子、光子、陷阱里的離子……
韓正甫說:“隸屬中科大的中科院量子信息重點實驗室,現(xiàn)在正副教授就有50多人,在讀的博士生有150人,博士后近30位,一個團(tuán)隊里有很多不同的組,研究的事情雖然互相可以理解,但術(shù)業(yè)有專攻,比如‘做硅’的就會去研究曝光、清洗等等半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)心的工藝;‘做光’的研究激光發(fā)生器、振蕩器、光纖之類。”
“國內(nèi)從1980年代初開始量子光學(xué)研究。現(xiàn)在多了不少人,但還是個冷門。專業(yè)人才稀缺。”韓正甫說,“其實全世界人才都不夠。所以谷歌花了幾億美元從加州大學(xué)圣芭芭拉分校挖了一個團(tuán)隊過來,主要研究超導(dǎo)量子計算機(jī)。”
目前各大公司和研究機(jī)構(gòu)仍在提升量子比特量——爭取幾十個量子同時穩(wěn)定,別太快塌陷。超導(dǎo)機(jī)器為了讓環(huán)境接近絕對零度,成本高達(dá)成百上千萬美元。工程實驗機(jī)在進(jìn)步,但幾時走到實用還不知道。
回顧1946年第一臺計算機(jī)ENIAC,用了18000個電子管,那是一種抽成真空電子飛行其中的玻璃管。ENIAC重30噸,每秒鐘僅計算5000次。沒有十多年后的半導(dǎo)體革命,就談不上今天的電腦和手機(jī)。
應(yīng)該說,量子計算機(jī)剛進(jìn)入它的“電子管時代”。
責(zé)任編輯:莊婷婷
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