量子计算是比互联网更重要的事情

2020-06-04 04:31 admin

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编者按:近期《自然》杂志刊登了谷歌关于“实现量子霸权”的一篇论文,内容是有关量子计算机“Sycamore”的超强计算能力。外行人可能不太能听懂什么是量子计算,但你一定听说过“薛定谔的猫”,薛定谔的猫就是一个量子力学思维实验。本文将带你探索量子计算的世界。本文译自Medium,作者A. S. Deller,原标题为Quantum Computing Is a Bigger Deal Than the Internet,希望对您有所启发。

10月23日发表在《自然》杂志上的一篇论文称,谷歌量子计算机“Sycamore”能够在200秒内解决一个特定问题,而解决同样的问题对于目前世界上最强大的传统超级计算机来说则需要花费1万年才能完成。

这只是量子计算能力的冰山一角。量子计算技术的现状就好像是1903年奥维尔·莱特和威尔伯·莱特在基蒂霍克进行的动力飞机试验:我们刚刚起飞,但最终却可以到达恒星。

在数十万年的时间里,以前人类仅有的工具是棍棒、石头、大脑,最后是火。我们发明的最伟大的工具是电脑。从20世纪中期到现在,我们已经进入了一个指数级发展的领域,处理能力大约每隔几年就会翻一番。英特尔(Intel)创始人戈登摩尔(Gordon Moore)在1965年观察到,微芯片上的晶体管数量似乎每两年就翻一番,从而以更低的成本获得更高的计算能力。这种增长速度创造了如今的现代世界。但是现在这个被称为摩尔定律的定律已经达到了极限,因为计算机部件越来越接近原子大小。

计算机本质上是简单部件的集合,每个部件都有明确的用处:内存存储、通过逻辑和数学处理数据,以及提供通过指令控制所有数据的方法。计算机芯片是最基本的部件之一。每个芯片都有不同的模块,每个模块都会做一些特定的事情。每个模块都有晶体管构成的逻辑门。晶体管是0位或1位的“位”,可开可关。一堆晶体管构成逻辑门,允许进行组合,从而进行更高级的运算,如乘法和除法。有了这些,你就可以计算出大量的信息,这使得我们可以做一些重要的工作。

晶体管是打开或关闭电子流的开关。在这个层次上,随着晶体管变得越来越小,我们发现自己正接近量子物理学所规定的微小尺度。现在,一个晶体管为40纳米或者更小,几乎比你体内的一个细胞小500倍。

从本质上讲,晶体管的运作接近于一个原子大小。在这个层面上,电子不需要流动——它们可以通过“量子隧穿”来移动。

为了在量子层面上利用物理学,科学家们正在制造量子计算机。我们现在有了量子位元,而不是用位元作为最小的信息单位。正如位元有两种状态,量子位元也只代表两种状态,但它们可以用原子的任何物理性质来设定,比如粒子的自旋或磁场,或水平/垂直偏振。除此之外,在量子物理中,状态不一定是开或关/是或否——它们还可以进行 “叠加”,“叠加”就是允许粒子处于这些状态的任意组合或比例的量子属性。就像薛定谔的猫一样,其中的粒子可以是任何东西,但当你实际测试或观察它时,它只会是一种状态。所以,当你不观察它的时候,粒子可以部分垂直偏振也可以部分水平偏振,但是当你观察它的时候,粒子只会显示其中的一种状态。

叠加真正的含义是我们现在有了大量的潜在组合。在常规计算中,4位总共产生16种可能的组合,但你只能使用其中的一种。然而,4个量子位则可以一次存储16个值。

量子位元的另一个令人惊叹的特性是量子纠缠,即无论它们在物理世界中相距多远,两个量子位元都能神秘地连结在一起,并对彼此的状态作出反应。利用这个特性,我们可以测量一个量子位,同时也可以知道它的纠缠量子位的特性。

还有一个我们可以利用的特性叫做量子操纵。我们常规的计算逻辑门得到一组输入,然后给出一个输出。“量子门”接收叠加的量子位元的输入,旋转机率,然后输出一个新的叠加。这时量子位就可以测量了,我们就得到了表示我们需要的数据的0和1。这里的关键是,所有可能的答案都是同时生成的,而不仅仅是传统逻辑门中的单个输出。我们得到的答案可能是正确的,但也有极小的可能不是正确的。但是,因为所有的可能性都已经准备好了,所以很快就可以得到完全正确的那个答案。

虽然不完美,但真正使量子计算超越存储容量的是它的速度和效率。其中一个很好的应用是数据库。我们现在可以存储惊人数量的数据,而且搜索速度也比传统计算快得多。

“我个人相信,量子计算将帮助我们理解人类自己创造的海量数据,从而解决一些非常有趣的问题。有些系统每天会产生数十亿的数据集,这些数据里可能隐藏着解决一些社会问题的方案。”——威廉·赫利,电气和电子工程师学会(IEEE)量子计算标准工作组主席

量子计算还可以以惊人的速度生成大量的计算和概率,这也有利于模拟。这些量子模拟将帮助我们研究天气、遗传学和疾病、量子物理,以及任何需要大量数字运算的东西。

量子互联网将增加信息访问,并促使分布式计算达到更大的高度。但量子计算的一个负面影响是,由于量子计算速度非常快,与使用传统计算机进行强力破解相比,用它破解安全问题可能轻而易举。

我们需要一个新的范式来继续前进,量子计算就是这样。我们可能不会短时间内在家庭或办公中使用量子计算机,但科学家和研究人员已经将它们用于大型项目。

信息时代对我们的世界来说是一个极其繁荣的时代:计算机的力量使人类在几乎所有领域都取得了惊人的进步,同时也极大地提高了普通人的生活质量。我们现在每年产生的新数据和新知识比人类历史上记录的还要多。但是,当我们以这些人为的力量前进时,可能也是在使用一种甚至比原子能更强大、更危险的工具。

“奇点”是未来人工智能实现自我意识的时刻,而量子计算可能会消除人工智能在其当前状态与“奇点”之间的距离。但如果是在坏人手中,量子计算可能导致基因篡改,从而产生超级士兵或超级疾病。

我们仍然需要继续全力推进研究,以便我们能够了解和抵御这些危险,同时也受益于量子计算的独特优势。