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量子计算机

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布洛赫球面乃一种对于二阶量子系统之纯态空间的几何表示法,是建立量子计算机的基础。

量子计算机(英语:Quantum computer)是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机(或称传统计算机),量子计算用来存储数据的对象是量子比特,它使用量子算法来进行数据操作。马约拉纳费米子反粒子就是自己本身的属性,或许是令量子计算机的制造变成现实的一个关键。[1]量子计算机在舆论中有时被过度渲染成无所不能或速度快数亿倍等,其实这种计算机是否强大极度看问题而定,若该问题已经有提出速算的量子算法只是困于传统计算机无法执行,那量子计算机确实能达到未有的高速,若是没有发明算法的问题则量子计算机表现与传统无异甚至更差。[2]

历史[编辑]

随着计算机科学的发展,史蒂芬·威斯纳英语Stephen Wiesner在1969年最早提出“基于量子力学的计算设备”。而关于“基于量子力学的信息处理”的最早文章则是由亚历山大·豪勒夫(1973)、帕帕拉维斯基(1975)、罗马·印戈登(1976)和尤里·马尼(1980)年发表[3][4][5][6]。史蒂芬·威斯纳的文章发表于1983年[7]。1980年代一系列的研究使得量子计算机的理论变得丰富起来。1982年,理查德·费曼在一个著名的演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法。紧接着1985年大卫·杜斯提出了量子图灵机模型[8]。人们研究量子计算机最初很重要的一个出发点是探索通用计算机的计算极限。当使用计算机模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间而资料量也变得庞大。一个完好的模拟所需的运算时间则变得相当长,甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到如果用量子系统所构成的计算机来模拟量子现象则运算时间可大幅度减少,从而量子计算机的概念诞生。半导体靠控制集成电路来记录及运算信息,量子计算机则希望控制原子或小分子的状态,记录和运算信息。

量子计算机在1980年代多处于理论推导状态。1994年彼得·秀尔提出量子质因数分解算法[9],证明量子计算机能做出离散对数运算[10],而且速度远胜传统计算机。因为量子不像半导体只能记录0与1,可以同时表示多种状态。如果把半导体比喻成单一乐器,量子计算机就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况,因此,一个40位元的量子计算机,就能在很短时间内解开1024位元计算机花上数十年解决的问题。因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后,量子计算机变成了热门的话题,除了理论之外,也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。

基本概念[编辑]

量子比特由受控粒子和控制方法组成(比如,捕获颗粒的设备能将他们从一个状态切换到另一个状态).[11]

传统计算机即对输入信号序列按一定算法进行变换的机器,其算法由计算机的内部逻辑电路实现。

  1. 输入态和输出态都是传统信号,用量子力学的语言来描述,也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列,用量子记号,即。所有的输入态均相互正交。对传统计算机不可能输入如下叠加态
  2. 传统计算机内部的每一步变换都演化为正交态,而一般的量子变换没有这个性质,因此,传统计算机中的变换(或计算)只对应量子变换中的一类特殊集。

量子计算机扩展了传统计算机原有的限制。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述,如二能级系统(称为量子比特(qubits)),量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的正变换。

  1. 量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态,其相互之间通常不正交;
  2. 量子计算机中的变换为所有可能的正变换。得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的测量,从而得到计算结果。

传统计算是一类特殊的量子计算,量子计算对传统计算作了极大的扩充,其最本质的特征为量子叠加性量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算,所有这些传统计算同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来,给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。

实做发展[编辑]

D-Wave 系统公司发布的计算设备

一般认为量子计算机仍处于研究阶段。然而2011年5月11日加拿大的D-Wave 系统公司发布了一款号称“全球第一款商用型量子计算机”的计算设备“D-Wave One”,含有128个量子位[12][13]。2011年5月25日,洛克希德·马丁同意购买D-Wave One[14]南加州大学洛克希德马丁量子计算机研究中心英语USC-Lockheed Martin Quantum Computation Center(USC-Lockheed Martin Quantum Computation Center)证明D-Wave One不遵循经典物理学法则的模拟退火(simulated annealing)运算模型,而是量子退火法。该论文《可编程量子退火的实验特性》(Experimental Signature of Programmable Quantum Annealing)发表于《自然通讯英语Nature Communications》(Nature Communications)期刊。该量子设备是否真的实现了量子计算目前还没有得到学术界广泛认同,只能有证据显示D-Wave系统在运作时逻辑不同于传统计算机[15]

2013年5月D-Wave 系统公司宣称NASAGoogle共同预定了一台采用512量子位的D-Wave Two量子计算机。[16]该计算机执行特定算法时比传统计算机快上亿倍,但换用算法解相同问题时却又输给传统计算机,所以实验色彩浓厚并延续了学术界争论。

2013年5月,谷歌NASA加利福尼亚量子人工智能实验室发布D-Wave Two

2015年5月,IBM在量子运算上取得两项关键性突破,开发出四量子比特型电路(four quantum bit circuit),成为未来10年量子计算机基础。另外一项是,可以同时发现两项量子的错误型态,分别为bit-flip(位元翻转)与phase-flip(相位翻转),不同于过往在同一时间内只能找出一种错误型态,使量子计算机运作更为稳定。[17]

2015年10月,新南威尔士大学首度使用制作出量子闸[18]

2016年8月,美国马里兰大学学院市分校发明世界上第一台由5量子比特组成的可编程量子计算机[19][20]

2017年5月,中国科学院宣布制造出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机,研发了10位元超导量子线路样品,通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作,成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特多体纯纠缠,并通过层析测量方法完整地刻画了十位元量子态[21]此原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有实验机加快至少24000倍,比人类历史上第一台电子管计算机(ENIAC)和第一台晶体管计算机(TRADIC)运行速度快10-100倍,虽然还是缓慢但已经逐步跨入实用价值阶段。[22][23]

2017年7月,美国研究人员宣布完成51个量子比特的量子计算机模拟器[24]哈佛大学米哈伊尔·卢金(Mikhail Lukin)在莫斯科量子技术国际会议上宣布这一消息。量子模拟器使用了激光冷却的原子,并使用激光将原子固定。

2018年6月,英特尔宣布开发出新款量子芯片,称使用五十纳米的量子比特做运算,并已在接近摄氏零下273.15度的绝对零度中进行测试。[25]

2019年1月8日,IBM在消费电子展(CES)上展示了已开发的世界首款商业化量子计算机IBM Q System One[26]但其基本只有实验研究价值,没有超越传统计算机的实用性。同年10月谷歌制造的一台“西克莫(Sycamore)”量子计算机声称超越了传统计算机实现量子霸权,而隔日IBM投书称该计算机是宣传性哗众取宠产品,[27]运作方式依然没有超出目前量子科技范围,其只在特定条件特定问题下的一种实验问题结果[28],而传统计算机只要更换算法就能达到同样效果,成本还更低、正确率更高,这被科技期刊称为“量子门”争议事件,德州大学奥斯汀分校理论计算机科学家斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)则保守中立认为,虽谷歌成果实用有限“但假设它是成立的,那么科学象征成就是巨大的。”因为代表量子计算机取代传统计算机有其可能。谷歌首席执行长 Sundar Pichai 的立场则是承认这次实验没有实用性但具有莱特兄弟第一架飞机意义,证实飞机此一概念是有可能。

质疑[编辑]

参见[编辑]

来源[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ 上海交大科研团队捕获马约拉纳费米子 造量子计算机的完美选择之一. 观察者网. 2016-06-22 [2016-06-22]. 
  2. ^ 科技袁人-何谓量子计算
  3. ^ Holevo, A.S.(1973),‘Bounds for the quantity of information transmitted by a quantum communication channel’, Problemy Peredachi Informatsii, 9(3): 3–11. English translation in Problems of Information Transmission, 9: 177–183, 1973.
  4. ^ Ingarden, R.S.(1976),‘Quantum information theory’, Rep. Math. Phys., 10: 43–72.
  5. ^ Manin, Y.(1980), Computable and Uncomputable, Moscow: Sovetskoye Radio.
  6. ^ Poplavskii, R.P(1975),‘Thermodynamical models of information processing’,(in Russian). Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 115 (3): 465–501.
  7. ^ Wiesner, S.(1983),‘Conjugate coding’, Sigact news, 18: 78–88.
  8. ^ David Deutsch, Quantum theory, the Church-Turingprinciple and the universal quantum computer, Proc. R. Soc. Lond.
  9. ^ Shor, Peter W.(1997), "Polynomial-Time Algorithms for Prime Factorization and Discrete Logarithms on a Quantum Computer", SIAM J. Comput. 26 (5): 1484–1509, arXiv:quant-ph/9508027v2
  10. ^ Peter Shor, Algorithms for Quantum Computation: Discrete Logarithms and Factoring, IEEE Symposium on Foundations of Computer Science 124-134 (1994)
  11. ^ Waldner, Jean-Baptiste. Nanocomputers and Swarm Intelligence. London: ISTE. 2007: 157. ISBN 2-7462-1516-0. 
  12. ^ Learning to program the D-Wave One. Hack The Multiverse. D-Wave. [2011-05-11]. 
  13. ^ Quantum annealing with manufactured spins, Nature 473-7346
  14. ^ D-Wave Systems sells its first Quantum Computing System to Lockheed Martin Corporation. D-Wave. 2011-05-25 [2011-05-30]. 
  15. ^ Controversial Computer Is at Least a Little Quantum Mechanical, Science, 13 May 2011
  16. ^ Mansfield, Alex. BBC News - Nasa buys into 'quantum' computer. Bbc.co.uk. [2013-05-16]. 
  17. ^ [1],iThome新闻,2015年5月1日
  18. ^ World's First Silicon Quantum Logic Gate Brings Quantum Computing One Step Closer
  19. ^ 全球首台可编程量子计算机在美国诞生. 搜狐新闻. [2016-08-05]. 
  20. ^ Debnath, S.; Linke, N. M.; Figgatt, C.; Landsman, K. A.; Wright, K.; Monroe, C. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature. 2016-08-04, 536: 63–66. doi:10.1038/nature18648 (英语). 
  21. ^ 世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机在我国诞生. 中科院网站. [2017-05-04]. 
  22. ^ 真量子计算机首次具有实用级运算力
  23. ^ 央视-我国量子计算机研究取得重大国际突破
  24. ^ Reynolds, Matt. Quantum simulator with 51 qubits is largest ever. NewScientist. [23 July 2017]. 
  25. ^ [2]
  26. ^ IBM unveils world's first commercial quantum computer The Telegraph 2019年1月8日
  27. ^ IBM投书不服所谓量子霸权
  28. ^ IBM刊文:某些人所谓的量子霸权

外部链接[编辑]