如何用IT业者能听懂的话介绍量子计算的原理

数字货币 DioDio 2周前 (03-26) 5次浏览 0个评论

在一个大数据爆发的时代,它可以在同一时间内处理海量数据、海量元素、海量维度,它的速度是计算力的一次革命,这样一场革命对我们现今的很多的研究,包括新药的研究,包括化工材料的研究,包括金融,包括人工智能、云,它是跨时代的意义。

如何用IT业者能听懂的话介绍量子计算的原理

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如何用IT业者能听懂的话介绍量子计算的原理

那么,量子计算机是什么东东?量子计算机依赖出现在自然界的量子力学现象――基本上是物质的两种重要状态,名为叠加和纠缠。物质的这些状态被用于计算时,有望提升我们对复杂数据集执行计算的能力。这里的重要区别在于量子计算机不同于传统计算机,而传统计算机是依赖晶体管的二进制数字电子计算机。这种技术有什么样的实际应用?首先,不妨来一个思维实验。设想一下电话簿,然后设想你要在该电话簿中查询某个特定的电话号码。使用晶体管的经典计算机会搜索电话簿的每一行,直至找到并返回匹配号码。相比之下,由于拥有量子比特,量子计算机可以同时评估每一行,并返回结果,速度比经典计算机要快得多,因而可以立即搜索整本电话簿。因此,该技术可以应用于似乎有无限变量的行业问题,那些变量组合构成了一系列数量非常多的潜在解决方案。这些巨大的变量问题通常被称为优化问题。比如说,为北美的每个人优化每条航线、机场时刻表、天气数据、燃料成本和乘客信息等,从而获得最具有成本效益的解决方案。经典计算机通常需要几千年时间来计算解决这个问题的最佳方案。从理论上来说,每台量子计算机的量子比特数量增加后――这一幕已成为现实,量子计算机就可以在几小时内或更短时间内完成这项任务。网络安全与量子计算有什么关系?现代密码学(密码)依赖名为素数因子分解的数学函数。基本上,大数被分解成素数,然后这些素数可以相乘,从而得到大数。经典计算机并不擅长于这方面,要花很长时间才能破解基于素数因子的加密代码。不过你也猜到了,量子计算机确实很擅长于此。世界各国政府都在竞相制造能够淘汰所有现代形式的密码的量子计算机。为了开发出防止黑客的通信,中国政府最近将据称是世界上第一颗量子卫星送入轨道。这颗卫星的名字叫“墨子”(Micius)。“墨子”旨在研发出远距离量子加密通信。简而言之:量子计算机依赖量子力学的基本原理来加快解决复杂计算这一过程。

这些计算通常包括看似数量不可估量的变量,应用广泛,从高级基因组学到金融等行业,不一而足。此外,量子计算机已经在重塑网络安全的一些方面,这归功于它们能够基于素数因子分解来破解代码,以及能够提供高级的加密形式,以保护敏感通信。

基础知识量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;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。

从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。概念的提出

量子计算(quantum computation) 的概念最早由阿岗国家实验室的P. Benioff于80年代初期提出,他提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算;稍等费曼也对这个问题产生兴趣而着手研究,并在1981年于麻省理工学院举行的First Conference on Physics of Computation中给了一场演讲,勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年,牛津大学的D. Deutsch提出量子图灵机(quantum Turing machine)的概念,量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质,还停留在相当抽象的层次,尚未进一步跨入发展算法的阶段。中期发展

1994年,贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出,相对于传统电子计算器,利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段:有别于传统计算法则的量子算法(quantum algorithm)确实有其实用性,绝非科学家口袋中的戏法。自此之后,新的量子算法陆续的被提出来,而物理学家接下来所面临的重要的课题之一,就是如何去建造一部真正的量子计算器,来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构,例如光子的偏振(photon polarization)、腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics,CQED)、离子阱(ion trap)以及核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)等等。截止到2017年,考虑到系统的可扩展性和操控精度等因素,离子阱与超导系统走在了其它物理系统的前面。发展前景

量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机,但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在重要的问题是,如何长时间地保持足够多的量子比特的量子相干性,同时又能够在这个时间段之内做出足够多的具有超高精度的量子逻辑操作。世界上第一台商用量子计算机加拿大量子计算公司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”。D-Wave公司的口号就是——“Yes,you can have one.”。D-Wave On采用了128-qubit(量子比特)的处理器,理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。不过严格来说这还算不上真正意义的通用量子计算机,只是能用一些量子力学方法解决特殊问题的机器。通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手,而且编程方面也需要重新学习。另外,为尽可能降低qubit的能级,需要利用低温超导状态下的铌产生qubit,D-Wave 的工作温度需保持在绝对零度附近(20 mK)。量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机,但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在的一个问题是,提高所需量子装置的准确性有困难。IBMQ系统2017年3月,IBM宣布计划建立业界首个商用通用量子计算平台,即为“IBMQ”系统。该系统将通过IBMCloud平台交付。据此次结果表明,该系统的量子位分别达到16和17位,相比之前的5位量子位已经有了巨大的飞跃。通过一系列的测试和运行,“IBMQ”平台已经可以解决传统计算机无法处理的各种问题,比如以下这些:

药物和材料研究供应链和物流人工智能金融服务云安全问题此外,为了让初学者更好地理解这些概念,IBM还发布了一个针对「QuantumExperience」的API接口,以便更多的开发者和程序员能参与其中。

2017年上半年,IBM还计划在这一平台上发布一个完整的SDK工具包,供用户构建简单的量子应用和软件程序。未来几年,IBM还计划推出50位或更大量子位的计算机。多年来,专业级别的硬件一直都主要服务于商业、政府和研究领域,这次IBM推出的这项成就表明未来关于专业级别的技术将越来越多。自IBM去年夏天向公众开放以来,5位量子位的量子体验计算机已经进行了超过30万次的实验,所以今天发布的第三代16量子位的处理器将允许更复杂的计算。

此外,据TrendinTech报道,今年晚些时候“IBMQ”平台还将发布业界首台商用量子计算机,这将为用户提供通过IBMCloud平台连接量子计算机的机会。但在这项技术成为主流之前,尚有许多困难需要克服。


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