【什么是量子理论】什么是量子计算机以及如何工作?

2020-01-13 - 什么是量子

世界各国都在量子领域开始竞相竞争,在量子领域量子计算机的开发研究可能是最早实现商用的,中国和美国都在暗暗较劲。那究竟什么是量子计算机呢?为什么要发展量子计算机呢?

量子是构成物质的最基本单元,是能量,动量等物理量最小单位。像电子、光子等构成物质的基本粒子,统称为量子。它有两个特性:不可分割性和不可复制性。

【什么是量子理论】什么是量子计算机以及如何工作?
【什么是量子理论】什么是量子计算机以及如何工作?

量子计算利用了亚原子粒子的特性不可分割性和不可复制性,量子纠缠和并行计算能力,可以比传统计算机更快地完成运算并且使用更少的能量。

我们都知道在传统计算中,一个bit位是单个信息,有两种状态1或0。量子计算使用量子比特代替,这些是具有两种状态的量子系统。但是,与通常的bit位不同,它们可以存储比1或0更多的信息,因为它们可以存在于这些值的任何叠加中。

【什么是量子理论】什么是量子计算机以及如何工作?
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经典bit位和量子比特之间的区别在于,我们还可以在0和1的量子叠加中准备量子比特,并创建许多量子比特的非平凡相关状态,即所谓的“纠缠态”。

量子比特可以被比喻为一个的球体。经典bit位只处于两种状态,在球体的两个极点中的任何一个,但量子比特可以是球体上的任何点。这意味着使用这些量子比特的计算机可以使用比传统计算机更少的能量来存储更多的信息。

【什么是量子理论】什么是量子计算机以及如何工作?
【什么是量子理论】什么是量子计算机以及如何工作?

我们知道传统的计算机的二进制计算依靠的是芯片里的晶体管,简单的理解为通电代表1,断电代表0。现代的计算机晶体管虽然越来越小,要提高计算能力只能不停叠加晶体管,集成度很高,但数量很庞大,需要消耗大量的能量,这就导致科学界发展光子计算、生物计算、量子计算等领域解决大量的能源消耗和摩尔定律导致的计算能力瓶颈问题。

【什么是量子理论】什么是量子计算机以及如何工作?

中国阿里巴巴、谷歌,IBM和少数初创公司正在竞相创造下一代超级计算机——量子计算机,如果它们开始投入使用,将帮助我们解决问题,如简化建造复杂的模型过程,达到我们现有的计算机无法企及的能力。

但是量子技术的未来不会轻易实现,并且不知道它何时到来,会是什么样子。目前,公司和研究人员正在使用一些不同的方法来尝试构建世界上最强大的计算机。

谷歌似乎在创造一台可以超越传统计算机能力的量子计算机方面处于领先地位。这家搜索巨头制定了雄心勃勃的计划,计划在未来五年内将量子技术商业化。

现在,量子优势,大致指的是量子计算机能够处理传统计算机无法模拟的总和。那些对谷歌的量子项目持怀疑态度,或者至少是它谈论量子计算的方式,认为,至高无上是谷歌设定的任意目标,使它看起来像是在量子上取得进步,而实际上只是满足自我强加的目标。

不管它是否是一个任意的目标,谷歌在2017年11月宣布它已经建立了一个50比特的量子计算机时,被IBM推到了至高无上的位置。然而,即使这样也远非稳定,因为该系统只能将其量子微观状态保持90微秒,这是一项记录,但远远超过使量子计算实际可行所需的时间。仅仅因为IBM建立了一个50比特的系统,并不一定意味着他们已经破解了至高无上的地位,并不一定意味着他们已经创造了一个接近实用的量子计算机。

然而,IBM比谷歌更进一步,正在使量子计算机商业化。自2016年以来,它为研究人员提供了通过云在5-qubit量子计算机上进行实验的机会,并在2017年底开始在线提供20-qubit系统。

1.中国的阿里巴巴成立“平头哥”芯片公司,该公司由阿里巴巴此前收购的中天微以及达摩院的芯片团队整合组成,希望在3年内推出量子芯片。 2.加利福尼亚州的创业公司Rigetti专注于自身系统的稳定性,而不仅仅是量子比特的数量,它可能是第一个构建人们可以实际使用的量子计算机的公司。

3.D-Wave是一家总部位于加拿大温哥华的公司,它已经创造了所谓的2000-qubit系统,尽管许多研究人员并不认为D-wave系统是真正的量子计算机。 4.英特尔也在游戏中占有一席之地。该公司宣布已经找到了一种用硅制造量子芯片的方法,这将使使用现有制造方法生产芯片变得更加容易。

量子计算机与现有计算机的操作原理完全不同,这使得它们非常适合解决特定的数学问题,例如找到非常大的质数。由于质数在密码学中非常重要,量子计算机很可能很快就能破解许多保证我们的在线信息安全的系统。由于存在这些风险,研究人员已经在尝试开发能够抵抗量子黑客攻击的技术,而另一方面,基于量子的密码系统可能比传统的类似物更加安全。

研究人员也对使用量子计算机模拟复杂化学反应的前景感到兴奋,这是传统超级计算机做不到。谷歌工程师首次使用量子器件模拟氢分子,最终,研究人员希望他们能够使用量子模拟来设计用于医学的全新分子。研究人员希望,如果他们能够使用量子力学来计算出这种人造氨的过程中发生的事情,他们就能发现新的方法来提高这一过程的效率。

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