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量子卫星已经上天了 量子计算机还有多远?  

2016-08-25 17:54:53|  分类: 科学探索 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中国科技大学的量子实验室成功研发出了半导体量子芯片和量子存储技术,至此中国对量子计算机的研究取得了突破性的进展。
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  中国取得又一突破

  不久前传来消息,中国科技大学的量子实验室成功研发出了半导体量子芯片和量子存储技术,至此中国对量子计算机的研究取得了突破性的进展。

  我们可以将量子芯片视为量子计算机的大脑,有了它计算机的逻辑运算和信息处理就成为了可能。量子存储这块,科学家通过它则能够实现超远距离的量子信息传输。这样看来,突破不可谓不大。

  8 月 16 日,中国发射世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。它的升空将实现量子密钥的分发,并对量子纠缠的现象进行实验。首先是量子通信,紧接着量子计算技术又有了突破,这些消息或许会掀起一阵量子热,人们真切地感受到那些仿佛只会在科幻作品里出现的名词,离自己已经不远了。

  不过再怎么说,量子理论都是无比复杂的,和它相关的那些技术也是如此。如果想要对量子计算机有一个概念,我们需要去了解些什么呢?它究竟距离我们还有多远?

  强大的量子计算机

  尽管在我们一般人看来,传统的计算机到了今天机能已经足够强大了,但实际上它的发展已经开始陷入困境。既然传统的技术已经走到了极限,那么寻求突破,基于新的理论来研发计算机也就成为了迫切的需求。

  事实上这个概念早在 1969 年就已经被提出,即史蒂芬·威斯纳的“基于量子力学的计算设备”。不过它真正得到关注还是 1981 年物理学家理查德·费曼的演讲之后。他说,如果要用传统的计算机来模拟量子力学,那么微观粒子数量越多,计算量也就越大,也就越不可能实现模拟。费曼认为,要模拟量子力学,就必须要采用和它原理相同的方式。从此开始,量子力学开始和计算机科学联系在了一起。

  量子计算机之所以强大,简单来说是因为它的一个量子位可以同时处于 0 和 1 这两个状态,这是量子的叠加特性决定的。与此相比,传统计算机中的晶体管一次只能够处于 0 或 1 的状态。如此一来,如果要进行海量的运算,量子计算机在时间复杂度(指执行算法所需要的计算工作量)上就有了非常显著的优势。

  还是觉得很迷茫?可以看看量子计算机公司 D-Wave 联合创始人埃里克·勒迪辛斯基在一次会议上给出的形象比喻:假如图书馆里有 5000 万册书,而你要在某一本里的某一页上寻找大写的 X。即使你发了疯似的拼命,也只能一次一本书这样查看,任务几乎不可能完成。可如果有 5000 万个你同时去翻找,每个人各自去查看一本书,那任务就有可能及时完成了。传统计算机就是那个发了疯的你,而量子计算机就是那 5000 万个你。

  换句话说,传统计算机只能够按照时间顺序来处理任务,而量子计算机却能够做到超并行计算。N 个量子位可以同时表示 2 的 N 次方个状态,数据量呈指数增长。现有的超级计算机需要上千年的运算,可能量子计算机在很短的时间内就可以搞定了。

  量子计算机能做什么?

  量子计算机一旦研发成功,这毫无疑问将是一场革命,因为我们终于突破了发展了那么多年的传统计算机,进入了一个全新的领域。随之而来的,自然也就是整个世界全方位的变化了。

  首先是科研方面。无论是太空探索还是药物研究,背后都牵涉到相当庞大的计算量,即使动用如今那些最优秀的计算机,都需要大量的时间和金钱的花费。如果有量子计算机存在,无论是无数种分子组合模式,还是大量星球的状况分析,它都能够比传统计算机更加轻松地去解决这些问题。

  或许“更加精确的天气预报”会离我们的生活更近?通过一次性分析所有的数据,我们将能够建立更好的气象模型,精确预测接下来的天气情况。到那个时候,人们就再也不会整天吐槽天气预报不准了。

  另外,量子计算机也有助于去解决交通拥堵的问题。现代的大城市中交通状况纷繁复杂,更强大的计算能力能够在短时间内规划好一切路线。无论是公路还是机场,这种超高效的调度能力将能够让人们避开许多麻烦。

  正如同传统计算机一直以来都在我们的生活中扮演着重要角色一样,量子计算机作为效率远超前者的存在,它在未来自然能够发挥更大的作用。量子计算机能够从方方面面改变我们的世界,这些是无论如何都列举不完的。

  量子计算机还有多远?

  我们需要认识到的一点是,即使科学家在量子计算方面已经有了技术突破,但我们距离真正可实用的量子计算机还有不短的距离。主导我国量子技术研究的潘建伟曾说,现在去谈通用量子计算还太早,只有能实现高精度量子操作和高容错的量子纠错的时候,才能够去想这些事。

  据了解,中国科技大学此次研发的量子芯片已经达到了满足容错计算的精度,但逻辑比特数量只有 3 个。只有在这个数目超过 30 个时,量子计算的性能才能够超越传统计算机。当然了,再往上难度也就越来越大了。

  那么一时间引起热议的谷歌 D-Wave 呢?潘建伟表示它以及现在人们常说的那些量子计算机,都还不是通用的量子计算机,不如说叫“量子模拟”更为恰当。现有的这些技术都“只能做某一件事,不能解决所有的问题”。不过,即使量子模拟只能对应某一种计算功能,它同样具备潜在的重大应用价值。潘建伟认为量子模拟机会比量子计算机更早出现。

  据了解,目前最有前途实现实用量子计算机的有三个方向,分别为光学量子计算、超冷原子量子计算,和超导量子计算,而我国的科研团队在这三个方向上都努力推进中。尽管我们并不能指望短期内看到真正的量子计算机,但假以时日它一定会到来。

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