什么是量子计算?解释了计算进化的下一个时代


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初次接触“量子计算机”一词时,您可能会将其当作遥不可及的科幻概念而不是当下的严肃新闻报道。

但是随着越来越频繁地使用这个短语,我们可以确切地想知道什么是量子计算机,而对于潜入何处也很困惑,这是可以理解的。这是量子计算机的精简之处,为什么会有那么多在他们周围嗡嗡作响,以及它们可能对您意味着什么。

什么是量子计算,它如何工作?

所有计算都依赖于位,在某些物理介质或另一种物理介质中,信息的最小单位被编码为“开启”状态或“关闭”状态,通常称为1或0。

在大多数情况下,电信号的物理形式是通过计算机母板中的电路传输的。通过将多个位串在一起,我们可以表示更复杂和有用的内容,例如文本,音乐等。

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IBM研究部

量子位和“经典”位(我们今天使用的计算机)之间的两个主要区别是位的物理形式以及相应地编码在其中的数据的性质。传统计算机的电位一次只能以一种状态存在,即1或0。

量子位(或“量子位”) 由亚原子粒子 (即单个光子或电子)组成。因为这些亚原子粒子比经典力学更符合量子力学的规则,所以它们表现出量子粒子的奇异特性。对于计算机科学家来说,这些特性最突出的就是叠加。这是一个粒子可以同时存在于多个状态的想法,至少直到该状态被测量并崩溃为一个状态为止。通过利用这种叠加特性,计算机科学家可以使qubit同时编码1和0

使量子计算机产生滴答声的另一种量子力学怪癖是纠缠,即两个量子粒子或在这种情况下两个量子位的链接。当两个粒子纠缠在一起时,一个粒子的状态变化将以可预测的方式改变其伙伴的状态,这在需要使用量子计算机来计算您所遇到的问题的答案时会派上用场。

量子计算机的量子位以其1和0混合状态开始,这是因为该计算机最初开始处理问题。找到解后,叠加的量子位会塌陷到稳定的1和0的正确方向,以返回解。

量子计算的好处是什么?

除了除了最顶尖的研究团队以外,其他研究团队都无法承受的事实(并且可能会保留一段时间),我们大多数人对量子计算机的使用并不多。在大多数情况下,对于传统的计算机而言,它们没有提供任何真正的优势。

然而,由于其固有的计算复杂性,即使是最强大的经典超级计算机也很难破解某些问题。这是因为某些计算只能通过蛮力来完成,直到猜出答案为止。他们最终提出了许多可能的解决方案,以至于全球所有超级计算机相结合需要数千年才能找到正确的解决方案。

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IBM研究部

量子位表现出的叠加属性可以使超级计算机急剧地减少这种猜测时间。古典计算的费力的反复试验计算一次只能做出一个猜测,而量子计算机量子位的双重1和0状态使它可以同时进行多个猜测。

那么,什么样的问题需要所有这些耗时的猜测计算呢?一个例子是模拟原子结构,特别是当它们与其他原子化学相互作用时。借助支持原子建模的量子计算机,材料科学领域的研究人员可以创建用于工程和制造的新化合物。量子计算机非常适合于模拟类似的复杂系统,例如经济市场力量,天体动力学或生物体中的基因突变模式,仅举几例。

然而,在这种新兴技术的所有这些通常无礼的应用中,量子计算机的某些使用也引起了人们的严重关注。到目前为止,最常被提及的危害是量子计算机有可能破坏当前使用的一些最强大的加密算法

在侵略性的外国政府对手的手中,量子计算机可能会危害大范围的原本安全的互联网流量,使敏感的通信容易受到广泛监视。当前正在基于基于密码的计算来使加密密码成熟,即使量子计算机也很难做到这一点,但是它们还没有准备好在黄金时间使用,或者目前还没有被广泛采用。

量子计算甚至可能吗?

十几年前,量子计算机的实际制造还处于起步阶段。从2010年代开始,功能原型量子计算机的开发开始起步。截至几年前,许多公司已经组装了工作的量子计算机,而IBM甚至允许研究人员和业余爱好者通过云在其上运行自己的程序

IBM Quantum Computing功能
布拉德·琼斯/数字趋势

尽管像IBM这样的公司无疑在构建功能原型方面取得了长足的进步,但量子计算机仍处于起步阶段。当前,研究团队迄今构建的量子计算机需要大量的开销来执行纠错。对于实际上执行计算的每个量子位,有几十个其工作是为了补偿一个人的错误。所有这些量子位的总和称为“逻辑量子位”。

简而言之,工业界和学术界的巨头已经让量子计算机工作了,但是它们的效率很低。

谁拥有量子计算机?

无论大小参与者,量子计算机研究人员之间的激烈竞争仍在进行。在那些拥有运行量子计算机的公司中,人们期望的是传统上占主导地位的科技公司:IBM,英特尔,微软和谷歌。

与创建量子计算机一样,风险投资的成本高昂且代价高昂,数量众多的小型公司甚至初创公司都在挑战这一挑战。

相对精简的D-Wave Systems刺激了该领域的许多进步,并通过与Google 洛斯·阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Labs)达成一笔巨额交易的消息来回应Google的重大公告,证明了它并非没有争议。尽管如此,像Rigetti Computing这样的小型竞争者也正在争夺自己成为量子计算创新者的地位。

IBM量子计算CES 2019 Q系统One Header

根据您的要求,您将获得“最强大”量子计算机的领先者。谷歌最近凭借其量子至上性的成就无疑取得了成功 。量子至上性是指量子计算机在某些计算上首先能够胜过经典计算机的地方。配备54量子位的Google Sycamore原型能够在不到三分半的时间内解决问题,这将使最强大的经典超级计算机花费10,000年的时间,从而突破了这一障碍。

D-Wave不甘示弱,但它自豪地指出即将提供给Los Alamos的设备每台的重量为5000 qubit,尽管应该指出, D-Wave的qubit的质量以前曾受到质疑 。在过去的几年中,IBM并没有像Google和D-Wave那样轰动一时,但是,也不应该把它们排除在外,尤其是考虑到其缓慢而稳定的业绩记录

简而言之,争夺世界上最强大的量子计算机的竞争比以往任何时候都更为广泛。

量子计算会取代传统计算吗?

对此的简短答案是“不是真的”,至少在近期内如此。量子计算机需要大量的设备和经过微调的环境才能运行。领先的体系结构要求冷却到绝对零以上的温度,这意味着普通消费者永远无法拥有。

Krysta Svore微软Q#量子计算编码
微软

但是,随着云计算爆炸式增长已证明,您无需拥有专用计算机即可利用其功能。如上所述,IBM已经为大胆的技术爱好者提供了在其Q System One量子位的一小部分上运行程序的机会。随着时间的流逝,IBM及其竞争对手可能会向有兴趣将其应用于本来无法解决的问题的人们出售功能更强大的量子计算机上的计算时间。

但是,如果您不研究量子计算机旨在解决的异常棘手的问题,那么您可能不会与它们互动太多。实际上,在某些情况下,量子计算机在我们每天使用计算机的任务上会更糟,这纯粹是因为量子计算机过于专业化。除非您是从事量子计算蓬勃发展的那种建模的学者,否则您可能永远也不会动手,也永远不需要。

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