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精,一文读懂量子計算

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量子計算机是怎样工作的、为什么它如此强大、它可能在哪些方面最具用途?

 

量子計算机利用量子力學的某些近乎神秘的力量来实现计算能力的巨大飞跃。量子机器甚至有可能超越当今最强大的超级计算机。

 

但是,量子計算机并不会完全替代传统的计算机。因为使用经典计算机仍然是解决大多数问题最简单、最经济的解决方案。但量子計算机有望在材料科学和药物研究等各个领域大放异彩。部分公司已经在试验将其应用于汽车在线看片av免费观看和制药业,在开发更轻便,更强大的电动汽车电池、创造出新的药物方面有所突破。

 

量子計算机能力的诀窍在于它能够制备量子比特并对其进行控制。

 

什麽是量子比特

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一方面,现在的计算机使用比特 (bit),它是一种表示1或0的电脉冲或光脉冲流。从微博、微信、iTunes歌曲到视频服务的所有内容都是这些二进制数字的长串。

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而量子計算机则使用了量子比特,其物理载体通常是亚原子粒子,例如电子或光子。就量子計算机而言,制备量子比特并对其进行控制是一项科学挑战。一些如IBM、谷歌、Rigetti Computing、阿里巴巴、本源量子等公司,在量子計算机运行时,超导电路的冷却温度几乎接近宇宙最低温。而其它像IonQ?一樣的公司,則在超高真空室中的矽芯片電磁場中去捕獲單個原子。通過這兩種方法,能夠將量子比特隔離以達到控制的目的。

 

量子比特具有一些離奇的屬性:它們的連接組可以提供比相同數量的二進制位更高的處理能力。一個屬性稱爲疊加(Superposition),另一個則稱爲糾纏(Entanglement)。

 

什么是量子疊加

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量子比特(Qubits)可以同时代表1和0的多种可能性组合,而这种同时处于多种状态的特性称之为疊加(Superposition)。研究人员使用精密激光或微波束操纵量子比特以使它们能处于疊加态。

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由于这种与我们现实违背的现象存在,具有多个量子比特疊加的量子計算机可以同时使得大量潜在的计算结果相互消融,导致其量子比特状态“坍塌(collapse)”为1或0,因此计算的最终结果,仅在测量量子比特时出现。

 

什么是量子糾纏

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研究人员可以制备“糾纏”的量子比特对,即是说一对量子比特对的两个量子比特存在于單個量子狀態,當研究人員以可預測的方式改變其中一個量子比特的狀態時,另一個量子比特的狀態將瞬間改變。即使它們距離遠隔宇宙之遙也會發生這種情況。

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没有人真正知道量子糾纏是通过怎样的方式产生影响的,甚至让爱因斯坦也感到困惑,他曾将其描述为“鬼魅般的超距作用”。但量子糾纏是量子計算机凸显强大力量的关键因素。在传统的计算机中,将二进制位数加倍会使其处理能力加倍。但由于糾纏的特殊能力,在量子机器中添加额外的量子比特则会使其数字运算能力呈指数级增长。

 

量子計算机在量子daisy链中利用糾纏的量子比特来发挥它们的魔力,而其之所以有潜在的嗡嗡声是由于使用专门设计的量子算法以加速计算的缘故。

 

量子計算机能够加速计算是个好消息。但坏消息也随之而来:由于退相幹的存在,量子計算机比传统计算机更容易出错。

 

什麽是退相幹

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量子比特與環境之間的相互作用會導致量子行爲衰減甚至最終消失,這被稱爲“退相幹(Decoherence)”現象。量子比特的量子態非常脆弱,實驗室中,“噪音”的最輕微振動或溫度擾動的變化都可能導致它們在工作正常完成之前就發生量子行爲的衰減。這就是爲什麽研究人員在那些超低溫的制冷機和真空室中實驗,以盡力保護量子比特不受外界影響的原因。

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尽管研究人员已经足够努力,噪音依然会导致许多计算错误,而这将削弱量子計算机的大量计算能力。虽然一些量子算法可以纠正一部分错误,并且添加更多量子辅助比特也会有一定的帮助。但是,它可能需要数千个标准量子比特才能创建一个高度可靠的“逻辑”量子比特。

 

还有一个问题亟待解决:到目前为止,研究人员还无法构造超过128个标准量子比特的计算机。因此,我们距离量子計算机的广泛应用还有些时间。

 

但這並沒有削弱開拓者希望成爲第一個展示“量子霸權”團隊的希望。

 

什么是量子霸權

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量子計算机可以完成某些数学计算,即使是目前最强大的超级计算机也无法做到。

 

目前還不清楚究竟需要多少量子比特才能實現這一目標,因爲研究人員不斷尋找新算法來提升經典機器的性能,而超級計算機的硬件也越來越好。同時研究人員和部分團隊也正通過對世界上最強大的超級計算機進行測試以期待實現該目標。

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研究界对于实现这一里程碑的重要性有很多争论。但有些公司在“量子霸權”(Quantum Supremacy)的说法未被证实之前就已经开始试用由IBM、Rigetti?和加拿大D-Wave等公司制造的量子計算机。像阿里巴巴这样的中国公司也能够提供量子机器。一些企业购买量子計算机,而另一些企业则正在使用通过云计算服务提供的量子計算机。

 

量子計算机在哪些方面可能最有用

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量子計算机最有希望的应用前景之一是模擬物質在分子狀態的行爲。像大众汽车和戴姆勒这样的汽车制造商正在使用量子計算机模拟电动汽车电池的化学成分,希望可以帮助找到改善其性能的新方法,而制药公司利用它们来分析和比较可能创造出新药的化合物。

 

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量子計算机也非常适合用于優化問題的解決方案,它们可以非常快速地处理大量潜在的解决方案。例如,空中客车公司正在将其应用于帮助找出飞机最省油的上升和下降路,而大众汽车公布了一项服务,即计算出城市公交车和出租车的最佳路线,以尽量减少拥堵。一些研究人员还认为量子計算机可用于加速人工智能的发展。

 

量子計算机可能还需要一些时间才能充分发挥其作用。目前從事該領域研究工作的大學和企業正面臨著人才嚴重短缺的問題,而且缺乏一些關鍵部件的供應商。但是如果这些新构建的量子計算机能够发挥其性能,它们将颠覆整个在线看片av免费观看的发展并推动全球新局面。(注:以上图片来源:MIT Technology Review)

 

本文來源:微信公衆號Qtumist

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Caroline ▏ 整理
量豆豆 ▏ 校对
Core ▏ 编辑

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