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關于量子計算,你應該知道的七個事實

無  2019-06-17 10:49:47

資本實驗室·今日創新觀察

聚焦前沿科技創新與傳統產業升級

李鑫

在很多人眼中,量子計算機被認為能夠完成經典計算機所不能完成的任務。

事實上,如果量子計算機缺乏足夠數量的處理單元,即量子比特,以及足夠的穩定性來做有用的工作,這些好處就仍然只是理論上的。

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目前,全球少數國家和地區,包括美國、中國、歐盟與日本,以國防、軍工、科研部門為代表的力量都在量子計算領域發力,并帶動了該領域的投資增長。

與此同時,從IBM、谷歌、英特爾到國內的百度、阿里巴巴、騰訊,大公司也正在加大該領域研發與商用探索的力度。

例如,IBM開發出了一臺50量子比特的量子計算原型機,Google也推出了一款72量子比特的芯片。但是,這些產品要成為真正有用的設備,挑戰猶存。

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近期,IBM的兩位科學家就量子計算機的總體趨勢、能解決的問題,與經典計算機的關系,以及當前面臨的挑戰發表了自己的看法。

這些看法有助于我們對量子計算機形成更為清晰的認識,同時幫助我們對這一科學應用的前沿保持一份敬畏之心。

1.量子計算機不會取代經典計算機

IBM英國與愛爾蘭首席技術官Andy Stanford Clark表示:“量子計算機永遠無法運行if/then/else類型的邏輯,這是我們所熟悉的從一個步驟到另一個步驟,也就是傳統馮諾依曼結構的計算機所采用的邏輯。”

2.量子計算機擅長解決優化問題

Stanford Clark認為:“當你有一個指數級的排列數需要運算時,量子計算機真的很擅長解決這些問題。”

“例如,如果你正在優化飛機路線的里程,或者優化鐵路網絡的備件布局,那就有2的n次方種可能性,你必須嘗試每一種可能性以找到最佳的解決方案。

“如果你有一個2的100次方種可能性的問題,經典計算機將難以勝任。而在一臺100量子比特的量子計算機上,你在一次操作中就能解決它。”

IBM超導量子比特量子計算的技術領導人Stefan Filipp說:“我們知道一些可以實現指數加速的算法。例如,量子化學或材料科學問題、計算分子的性質,都是量子計算機可以幫助解決的。”

3.量子計算機將擴展經典計算機

Stanford Clark說:“我們不會看到人們扔掉他們所有的經典計算機,并用量子計算機取代它們,”

“我們將看到,就像你的經典計算機上有一個數學協處理器(maths co-processor)和一個GPU一樣……在你的經典計算機旁也將有一個量子計算機協處理器。”

“當你必須解決一些大規模的指數問題的時候,你可以把它打包,扔到量子協處理器上,它會注解答案,然后你會繼續用你的經典算法來獲得你的答案。”

4.我們需要50到60個量子比特的計算機來做有用的工作

Stanford Clark說:“量子計算機取代經典計算機的關鍵點是50到60個量子比特。……當我們達到50量子比特的水平,我們能夠做出有用的計算。”

5.構建可工作量子計算機并非易事

Stanford Clark說:“我們目前有一個50量子比特的計算機原型,但問題是量子相干性,……這意味著你不能用你的50個量子比特來完成很多有用的事情,所以我們還有一段路要走。”

Filipp補充說:“挑戰在于,讓硬件達到我們可以使用它并運行實用算法的水平。”

“這意味著我們不僅要增加量子比特的數量,而且必須增加相干性。我們必須改進這一點,以便我們能夠解決實際算法。”

“我們有一個提升相干性的路線圖,但在實際的量子計算機中仍然是一個重大的挑戰。”

6.我們不知道如何編寫有用的量子軟件

Stanford Clark說:“目前我們還不知道如何編寫量子計算機的復雜算法,因為我們已經如此習慣于使用經典計算機。”

“我們只是沒有經驗,試圖去用量子計算機解決我們曾用經典計算機解決的問題。”

7.量子計算機需要糾錯

“量子比特內部也存在容錯,”Stanford Clark補充說,量子計算機需要相當于傳統計算機中發現的錯誤校驗奇偶位。

“在量子計算機中,你需要同樣的技術,這樣我們就可以檢測到一個比特在無意中翻轉或出現在錯誤的狀態,而錯誤可以被校正。”(參考信息:techrepublic)

來源:百家號                                      時間:18-07-27

現代技術發展的速度總是超過人們的想象,技術發展的方向也將人們的生活帶向一個新的層次。在今年CES展上,因特爾宣布了自己的研究成果,一塊49個量子位的量子芯片,而后三月,谷歌宣布了一塊擁有72個量子比特的量子芯片,并且表明能夠進行實際運用,5月阿里達摩院也不甘示弱,推出了自己的量子電路模擬器“太章”,一時間量子計算的概念進入大眾視野,成為了焦點話題。

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量子計算

什么是量子計算?根據維基百科的解釋,根據量子力學現象進行計算即為量子計算。談到量子計算,就必然繞不開兩點,疊加和糾纏。與傳統計算機基于晶體管的二進制不同,傳統計算機的二進制數字總是確定狀態的“0”或“1”,而量子計算使用的是量子比特,并沒有固定狀態,我們可以借用一個著名的實驗“薛定諤的貓”來描述這一現象。

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薛定諤的貓

在箱中放置一只貓和連接毒氣的放射物,箱中的放射性物質有50%概率衰變釋放毒氣殺死貓,但也有可能不會衰變使得貓活下來。在不打開箱子的情況下,如果按照傳統計算機的角度,貓要么死了要么活下來,必然是二者中確定的一方。但是以量子計算的角度,貓可以既死既活,處于二者混合的狀態,這就是疊加狀態。

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量子糾纏

量子糾纏實際上是兩個在疊加態中的粒子相互影響的現象,值得注意的是,這兩個粒子在空間上距離可能會隔很遠,但是雙方中間一旦一方被測定,與之糾纏的一方的狀態也會被確定下來。

傳統計算機的基本單位比特(bit)擁有確定的狀態,要么“0”,要么“1”,而量子計算的基本單位為量子比特或稱為量子位(Qubit),可以同時存在“0”和“1”兩種狀態,如果擁有4個比特,那么傳統計算機也只是存儲2^4中的一個,如果擁有4個量子比特,那么能夠存儲的信息為2^4個,計算能力直接呈指數級增長,運算能力相當于傳統計算器運算2^4次,效率將大大增加。

得益于量子疊加和糾纏,量子計算能夠保持超高速度來進行并行運算,對于大批量數據結果運算能夠保證高效完成。不過需要注意的是如果沒有與之對應的量子算法,量子計算機的實力是難以全部發揮的,而且只有部分算法可以進行加速,因此傳統計算機與量子計算機處于相輔相成的關系,并非只是新技術完全取代傳統的過程。

早在2016年5月4日,IBM就發布了量子計算服務,用戶可以通過云連接IBM量子計算機,來進行實驗和模擬。量子計算作為一種革命性的技術正越來越受到重視,微軟,谷歌都投入了自己的研發力量,量子計算的現實應用也正一步一步離我們越來越近。

·數據計算

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數據計算

談到應用,量子計算機的核心功能自然是數據計算,超高的運行計算能力,這對于許多行業都是必須要求。例如今年大火的人工智能方向,通過深度學習,不斷完善算法,直至產品滿足人們智能化需求。在這個過程中,機器學習的成本往往是巨大的,因此許多人工智能都只能在某一個領域某些關鍵詞上作浙江企業新聞網出相應,難以滿足人們復雜的情景應用,自然會被叫成“人工智障”。但是如果利用量子計算機的高速運算,機器的學習成本將會大大降低,AI的運用場景也將豐富起來。其實不僅僅是人工智能,量子計算在大數據分析,智慧城市,金融模型等方面都大有可為。

·通訊加密

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信息安全依托算法加密

當今各種密碼的安全保障依托各種加密算法技術,但是對于量子計算機來說,能夠通過特定算法進行高速并行輕松破解。基于量子糾纏的特性,在通訊過程中,如果有人想要竊聽通訊內容而對量子進行測量的話,另一端量子就必然會感知到,從而終止機密信息的傳輸,商業機密能夠得到充足的保障。

量子技術發展自然是未來的一大方向,但是我們仍需要看到其中的問題,一是量子計算的要求更為嚴苛,需要在極低溫的環境下工作;二是量子相關技術的研究存在瓶頸,例如如何制造出純糾纏態,以此克服量子通訊的信息失真;三是量子計算帶來的改變,例如密碼學革命性的改變,傳統加密技術,行業,個人信息安全的該何去何從,量子計算攻擊該如何防范。四是量子計算技術各國研發的水平差異,標準由誰制定,量子霸權的出現。這些都是我們需要了解的。

量子計算技術必然會到來并給我們生活帶來巨大改變,但現在仍處于發展階段,因此并沒有必要過于吹捧,肯定技術價值,合理規劃研究,這是一個企業乃至國家保持創新和競爭活力的關鍵,更何況,量子計算離改變生活的日子也不會太遠了。

來源:百家號                                            時間:18-05-31

[責任編輯:無]

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