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量子计算是什么?量子计算机到底有多强?

时间:2020-07-04 03:39

量子计算机(Quantum computer)是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,量子计算机的计算速度要快于传统的通用计算机。

量子位(qubit)是量子计算的理论基石和信息单元。在常规计算机中,信息单元用二进制的 1 个位来表示,它不是处于“ 0” 态就是处于“ 1” 态. 而在二进制量子计算机中,信息单元称为量子位,它除了处于“ 0” 态或“ 1” 态外,还可处于叠加态。

顾名思义,叠加态是“0”态和“1”态的任意线性叠加,它既可以是“0”态又可以是“1” 态,“0” 态和“1”态各以一定的概率同时存在。通过测量或与其它物体发生相互作用而呈现出“0”态或 “1”态。任何两态的量子系统都可用来实现量子位,例如氢原子中的电子的基态和第 1 激发态、质子自旋在任意方向的+1/2分量和-1/2分量、圆偏振光的左旋和右旋等。

量子力学态叠加原理使得量子信息单元(即量子位)的状态可以处于多种可能性的叠加状态,从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。传统计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个,而量子计算机中的2位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加,对于n个量子比特而言,量子信息可以处于2种可能状态的叠加,配合量子力学演化的并行性,可以展现比传统计算机更快的处理速度。

也正是因为这种更高效率的计算原理,使得量子计算机具有更大的发展潜力,使得人们称量子计算是强大的。因此,近十几年来,各国不断开展对量子计算领域的研究,希望能在量子计算上取得突破:

2011年5月11日,加拿大量子计算公司D-Wave正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”,量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。

2017年1月,D-Wave公司推出D-Wave 2000Q,他们声称该系统由2000个qubit构成,可以用于求解最优化、网络安全、机器学习、和采样等问题。

2017年,中国科学技术大学等单位联合研制了2台量子计算机,一台基于低温超导系统,这台量子计算机有10个量子比特,另一台基于线性光学,达到5个量子比特。

此外,中国科学技术大学的量子信息重点实验室李传锋教授研究组还首次研制出非局域量子模拟器,并且模拟了宇称—时间世界中的超光速现象(未来实现超光速飞行可能靠他了哈哈)。这一实验充分展示了非局域量子模拟器在研究量子物理问题中的重要作用。

2018年10月12日,华为公布了在量子计算领域的最新进展:量子计算模拟器HiQ云服务平台问世,平台包括HiQ量子计算模拟器与基于模拟器开发的HiQ量子编程框架两个部分,这是这家公司在量子计算基础研究层面迈出的第一步。

效率更高:量子计算机的基本特征是使用量子比特而不是经典比特。 与经典比特不同的是,量子比特可处于叠加态,从而提高量子计算的效率。

存储信息容量更大:超导叠加状态下,少量粒子就能储存大量信息:仅需1000个处于超导状态的粒子,就能存储大约21000个数字(约10300),而且量子计算机能让所有数字都处于并行状态,比如,通过激光脉冲击中粒子。

针对性强:一旦对这些粒子进行测量,这种并行的状态就消失了。这些粒子的叠加态可快速解决一些特定的问题,如分解质因数。

与人工智能的应用化进程相比,量子计算的应用化堪称还处在原始社会阶段。比如中科院发布的光量子计算机,还仅仅是元器件和光学仪器构成的原型机。换言之,其进度还处在实验数据阶段,离投入下一阶段的实践性应用还非常遥远。因此,现阶段量子计算机只能解决特定领域问题。

近十年来,谷歌的科学家们一直在努力创造一种计算机处理器,它可以解决一个对于世界上现有最好的超级计算机来说太难的问题。2019年,他们宣布他们成功了:他们的Sycamore量子计算机能够在200秒内完成一个问题,根据他们的估计,一个超级计算机需要1万年才能解决。同时声称实现了“量子霸权”。

量子计算机真的有那么强大吗?总的来说,量子计算虽效率很高前景很广,但要实现更多更全面的功能还有很长的发展之路要走。对于量子计算机是否有人们口说的那么强大,目前科学界内观点不一。对此,你有什么看法?欢迎评论交流。

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