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量子計算機,到底有多神奇?

來源:科技日報   作者:劉恕   發布時間:2016年4月5日

量子計算機最大的優勢在于大幅縮短提取用戶所需信息的時間,它可以在幾天內解決傳統計算機會花費數百萬年才能處理的數據,因此未來的應用前景十分令人神往。

日前,谷歌量子人工智能實驗室宣布量子計算機最新進展:在兩次測試中D-Wave2X的運行速度比傳統模擬裝置計算機芯片運行速度快1億倍。

經過與傳統計算機的比較,谷歌稱已證明其量子計算機確實可執行數學計算。

谷歌工程技術主管哈特馬特·納文表示,“這是一個值得我們歡欣鼓舞的結果,不過要將量子計算機帶入我們的日常生活,技術人員們要做的工作還有很多。”

那么量子計算機到底為何物呢?讓我們一起走近量子計算機,揭開它神秘的面紗。

讓計算速度“飛”起來

正如電影《異次元駭客》中演繹得那般,在科技發達的時代,科學家們可以通過強大的計算機虛擬出一個城市,虛擬城市中的科學家又虛擬出一個城市。不管是第一層虛擬或者第二層虛擬,其中的人類生活得怡然自得,他們有思想,有感覺。沒有人去懷疑世界的真實性,完全不知道自己是個人工智能。

事實上,完成如此巨大模擬并不是一件容易的事情。一個人類個體本身所具有的全部特點、微小的變化以及本身細胞之間的各種間接的作用聯系,還有環境溫度、大氣變化等等將是一個難以估量的龐大數據,通用計算機將很難實現完全模擬,這就需要量子計算機來完成。

據來自蝌蚪五線譜的文章稱,人們研究量子計算機最初很重要的一個出發點是探索通用計算機的計算極限。早在1982年,頗有遠見的美國著名物理物學家理查德·費曼在一個公開的演講中提出利用量子體系實現通用計算的新奇想法。1985年,英國物理學家大衛·杜斯提出了量子圖靈機模型。理查德·費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少,從而量子計算機的概念誕生了。

目前,我們所有的計算機體系都是基于馮諾依曼式的組織結構,其運行速度的增長已經明顯放緩,對于大規模數據的分析計算效率也很難再提高。量子計算的提出,則是旨在專門為復雜問題的求解設計一種全新的計算機體系,即所謂的量子計算機。

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息,運行的是量子算法時,它就是量子計算機。

谷歌日前宣布D-Wave量子計算機在解決問題時能夠比其他任何計算機都快出1億倍,并且能夠極大地推動人工智能的進步。據悉,谷歌此次宣布的重要佐證就是“量子退火”算法。這種算法確定了當面臨一系列潛在解決方案時一個特定函數的全局極小值,即在給定一系列選項時,它能夠確定完成一個任務所需的最優解決方案。谷歌對D-Wave計算機的量子計算法與傳統計算機上模擬量子隧道效應的算法進行了比較,量子計算機再次獲得了完勝。

基于量子計算的機器,由于體系結構發生了變化,將采用全新的算法,這使得大規模數據的計算與存儲不再成為難題。業界人士認為,量子計算機的巨大突破將為云計算和大數據處理乃至整個計算機科學領域帶來一場變革。

并行計算是最大優勢

其實,量子計算機的計算原理和薛定諤的貓是一樣的,利用的都是“量子疊加態”。這意味著計算機能同時嘗試所有可能的解,以遠超傳統計算機的速度進行復雜的計算。

按照傳統算法,當用戶需要提取某一個詞組信息或者需要解決一個問題時,計算機要先把所有可能性列舉出來并驗證一遍才能得到正確的信息,而量子計算機能夠直接計算并提取出相應信息。這種計算稱為量子并行計算,也是量子計算機最重要的優越性。

量子計算的神奇之處在于,它可以做到真正的并行計算與存儲。例如,一個數位的經典存儲器可以存儲兩個數字0或者1,但在某一時刻這個數字要么是0要么是1;而對于量子比特存儲器來說,在同一時刻,它可以同時存儲01,其存儲和運行能力都成指數上升,一個250量子比特的存儲器可以存儲的數字比我們已知宇宙所有的原子數還多。

想像一下,你被要求5分鐘內在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個字母“X”,這幾乎是不可能的,因為那里有5000萬冊書。但是如果你處于5000萬個平行現實中,每個現實都可以查看不同的書籍,你肯定能在其中某個現實中找到這個“X”。在這個假設中,普通計算機就是像瘋子一樣的那個你,需要5分鐘內找遍盡可能多的書。而量子計算機卻能將你復制出5000萬個,每個只需翻找一本書即可。

這是量子計算機公司D-Wave聯合創始人埃里克·勒迪辛斯基對其應用前景的解釋。谷歌和NASA聯合研究的量子計算機,其實就是從這個公司購買的。2013年,谷歌從D-Wave系統公司購買了一臺量子計算機,并與NASA共同開展量子計算機的研究項目。D-Wave系統公司自2007年推出首臺量子計算機開始就備受爭議。一些學者認為由于量子形態并不穩定,量子計算機只是在理論層面可行。然而這次,谷歌和NASA一同證實了量子計算機的可操作性。

顛覆你未來的生活

谷歌宣布D-Wave2X的速度達到了傳統芯片的1億倍,實在是令人驚嘆。量子計算機最大的優勢莫過于大幅縮短提取用戶所需信息的時間,因此它被認為可以在幾天里解決傳統計算機會花費數百萬年時間才能處理的數據,未來的應用前景十分令人神往。

現在的天氣預報大多是基于探測數據的推測,很難保證準確。但量子計算機可以一次分析所有數據,向我們提供更好的模型,精準地顯示惡劣天氣會在何時何地出現。我們可以提前預測颶風等極端天氣,從而預留足夠的時間拯救生命。

每天出行GPS可以幫你優化出最佳線路,但如果有了量子計算機,我們可以把整個城市甚至整個地球上所有人的出行計劃全都輸入進去,讓它計算出最優解,從而讓人們徹底告別交通擁堵。

在研發藥物方面,量子計算機能夠描繪出數以萬億計的分子組成,并將其中最可能有效的組合快速識別出,顯著降低藥物的研發成本和周期。

在探索太空方面,量子計算機可以處理望遠鏡視野中更多的數據,從而發現更多的行星,并迅速識別出最有可能存有生命體的行星。

盡管實現這些應用還有很長的路要走,但各大公司對量子計算機的研究絕不會停止,因為它能顛覆整個世界。一旦計算速度出現質的飛越,我們生活的方方面面都會被改變。

“落地”仍面臨諸多難題

既然量子計算機已經研制成功,那為什么現在還沒有普及呢?因為,它的運行條件要符合三個條件:真空環境、絕對零度和磁場保護。

量子力學是研究微觀尺度的科學,要想控制計算機的量子位,其實就是需要操縱單個原子,因此條件是非常苛刻。原子在常溫下的速度高達到數百米每秒,只有讓原子保持在極低的溫度狀態,才能受控制。所以量子計算機D-Wave2X處理器溫度一直穩定在-273℃,只比宇宙絕對零度高0.015℃而已。

除此之外,量子計算機還要放到比地球磁場弱50000倍(基本相當于沒有磁場)、大氣壓比地球小100億倍(基本相當于真空)的環境中,以保持量子態的穩定。

除了對環境要求嚴格,量子計算機在實際落地推廣方面也會遇到一些障礙。由于量子計算機的計算方法完全不同,因此編程的方式也完全不同并且更加復雜。這意味著,對于程序員來說,要掌握一套比現有算法更為復雜的編程方式。

當然,計算機還有許多需要克服的技術問題,比如量子的不穩定性決定信息狀態不穩定,這將影響到計算的準確性。

事實上,實現對微觀量子態的操縱確實太困難,但這并不能妨礙人們進行大膽地探索與設想,也許不久的將來量子計算機就會出現在我們的生活中。

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科學家嘗試用量子計算機創造時間旅行

據國外媒體報道,如果宇宙允許開放類時曲線,那么旅行者就不可以通過時間旅行回到某個時間點上,這樣的曲線無法與過去產生任何相互作用。目前科學家試圖利用量子信息驗證這樣的能力,事實證明一個未打開的消息是非常有用的。如果實驗者發送過去實驗室的糾纏信息,未來是否能夠收到?糾纏是一個奇怪的現象,只在量子物理學領域出現,它創造了時間旅行各系統之間的相關性,這些相關性可幫助量子計算。

谷歌的研究人員戴維·培根在10年前就提出可以利用量子計算機快速解決一批問題,廣義相對論可以通過時空扭曲創造封閉類時曲線,比如蟲洞。但物理學家認為必須停止這樣的機會出現的,因為這會威脅到因果關系。一個經典的例子是,一個人可以回到過去,殺死自己的祖父,否定自己的存在。

在過去的二十年內,研究人員已經在量子物理學領域嘗試著打破封閉類時曲線,因為量子具有模糊性和不可克隆定理。新的研究表明,量子計算機可以解決這類問題,即使我們沿著開發的類時曲線,也不會產生因果關系,這樣可以避免諸如祖父悖論情況出現。

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