2006-2020 福州信程旅游发展有限公司 版权所有

量子浅说(七):量子计算机简单解释

2020-06-04 05:41

在上面量子浅说(六):量子科学的实际应用里我们列举了一些量子力学应用实例,其中提到量子计算机。量子计算机的强大功能有望以我们无法想象的方式改变世界。电子计算机的使用开启了人类“信息文明时代”,量子计算机的应用将开启“量子文明时代”。这里,我们对量子计算机再具体地作简单解释。

量子比特是量子计算机的基本计量单位。传统计算机使用的是0与1的比特单位,量子计算机虽然也是使用0和1,但不同的是,量子比特可以以0和1的形式同时存在。这是因为它的量子态像薛定谔的猫的死与活一样地被叠加,直到进行测量为止。量子比特可以是单个原子、离子、电子、玻色-爱因斯坦凝聚子、约瑟夫森结的超导子、甚至是光子。

量子比特中的信息被编码为量子特性,例如电子的自旋或光子的极化。对于N个量子位,可能的状态数等于2的N次方,因此2个量子位可以同时处理4个状态,6个量子位可以同时处理64个状态。当测量时,每个量子比特最终只能产生一个答案,但是状态的叠加提供了非凡的处理能力。

量子计算机的开发并不是期望立即就可以建立起来一个普遍应用的机型。量子计算机的开发预计将经历三个阶段。最基础的机型是量子退火机型,量子退火将可变量子态视作为类似于具有高山和丘陵的高低起伏地形图,在目标函数拥有多组候选解答的情况下,找到全局最优解。但这种机型仅对很有限的问题有用,而且并不能证明它比普通计算机明显地快得多。

接下来,是“模拟量子计算机”,比常规计算机更快。这样的机型只能运行50-100量子位,并且只能解决某些类型问题,但这是通往真正的通用量子计算机的重要里程碑。如果配备约10万量子比特,这样的机型将比普通计算机呈指数级倍地强力加快。

量子计算机面临的最大问题是退相干,即测量量子比特量子态时波函数的衰减。退相干消除量子比特的叠加效应,使其不同时处于0和1的状态,而被迫采用这个或那个值。

很难避免的是,退相干使量子计算机变成像现在的常规计算机一样。量子比特必须与外界干扰隔离开来,这些干扰会导致其波函数衰减。纠缠提供了一种可能的方法,在不干扰量子比特执行处理的情况下测量计算机状态,但仍然避免不了退相干问题。虽然可以容忍一定量的难以摆脱的退相干,但这需要通过使计算机具有大量的量子比特来完成。与量子比特的拥有数量相比,通过尽量避免退相干所引起的错误率相对较小。

隔离量子比特以避免退相干,需要一些特殊的捕获和保持它们的方法,以不使其波函数衰减。比如,将原子用作其量子位的计算机可以使用称为光晶格的激光网格在光束相交处创建势阱,从而将原子捕获在此区域中。同时,带电的离子可以限制在所受到的电磁场内,由于电荷相互影响,可能会通过其集体运动传递信息。

量子点(Quantum Dot,把激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构)可以用来控制电子使其排列在其围绕轨道中。但是,基于光的量子计算机则存在的问题更多,因为光子彼此之间不会相互作用。分束器可能是限制光的一种方法,比如有一种称为“里德堡原子”(Rydberg atoms)的具有高激发态电子(主量子数n很大)的原子即是如此。这样的大原子的共同作用,相当于使光在其通道中大为减速,这为光成为量子计算机的可控“电路”铺平了道路。

逻辑门是传统计算机集成电路上的基本组件。电子信号的高低分别代表逻辑上的“真”与“假”或二进制当中的1和0,从而实现逻辑运算。常见的逻辑门包括“与”闸,“或”闸,“非”闸,“异或”闸等。但只有非闸门是可逆的,其它的只是单向的。

但是量子逻辑门都是可逆的。量子门序列形成“量子电路”,并且由于它们仅基于一个或两个输入执行功能,因此它们的行为可以用2x2或4x4矩阵表示。量子门的数量可能比普通逻辑门更多,每个量子门在量子位上执行不同的功能。过去,量子门是用里德伯格原子和光子之类的奇异材料建造,在2015年,研究人员首次能够用硅建造量子门,这是使量子计算机实用化的重要一步。

算法是告诉计算机如何解决问题或执行任务的逐步过程。普通算法可以在量子计算机上运行,但也有专门设计的量子算法,以利用量子比特的固有能力进行并行处理。

因为这些算法的工作原理是从两个答案(0或1,是或否,等等)中找到一个解,所以它们不能做任何不合逻辑的事情,或理论上传统计算机无法完成的事情。但是,他们可以做的是更快地解决问题。使用量子算法可以在几分钟内完成可能要花费传统计算机上百年才能计算的任务。

这样的算法利用量子逻辑门作用于给定数量的输入数据的量子位,最终达到揭示结果的测量。其中最重要有格罗弗(Grover)算法和秀尔(Shor)算法。

量子计算机太娇嫩了,你只要稍稍看它的量子比特一眼,其状态就改变了。退相干将不可避免地引入“噪声”,从而导致逻辑门出错,就如传统计算机偶而出错地那样。对于传统计算机,解决出错的最简单方法是通过一步一步地多次观察检查,就可以检测并纠正错误。

不幸的是,这样的纠错不适用于量子位。我们无法复制它们的量子状态,因为我们不知道它们是什么,这称为“无克隆定理”。但是,存储在量子位上的信息可以通过纠缠散布在多个量子位上,例如将其编码为三个电子的自旋。完成此操作后,可以使用不会干扰叠加的所谓“综合征测量”(syndrome measurement)来发现错误,并建议恢复程序,从而可以修正错误而不至于造成进一步的退相干。

很自然,量子过程和系统很难在非量子计算机中进行模拟,因此量子计算的主要应用将是更好地理解量子物理学本身及其应用。

例如,对于在像大型强子对撞机这样的粒子加速器,强大的量子计算机可以在虚拟实验中对这些碰撞进行建模,从而在实际实验执行之前,详细显示所产生的能量和释放的子粒子。更奇特的是,量子计算机可以用来描述中子星核心的条件,那里的温度和压力是如此之大,以至于物质可以采取由强核力控制的超导超流体的形式。更多实际应用可能包括对高温(即接近0°C / 32°F)超导材料有更深入的了解,甚至设计更好的量子计算机!

量子计算仍处于起步阶段:量子算法的首次实验测试于1998年在牛津进行,仅使用MRI机器中保存的两个量子位。同年,制造了一个三比特的计算机,到2000年,美国的洛斯阿拉莫斯国家实验室拥有一个7比特的磁共振量子计算机并投入运行。但是,这些系统很初始,只能解决最简单的问题。 2001年,秀尔算法首次在斯坦福大学得到证明。计算出15两个主要因子分别是3和5的实现这一目标的量子计算机也只有7个量子比特。

到2012年,加拿大公司D-Wave声称已使用量子退火技术制造了一台84量子比特的计算机,并在2015年宣布了首款1000量子位的芯片。但是,许多科学家怀疑,尽管从技术上讲它们可以被称为量子计算机,但实际上它们并不比普通计算机快。

《自然》 科学杂志发表的一篇专题文章显示,2017和 2018年量子公司获得的私人资金至少达 4.5 亿美元,是前两年披露的 1.04 亿美元的四倍多。中国也将量子技术作为一项“超级工程”的重点,对其进行了大力投资。

近年来,包括谷歌、IBM、英特尔、阿里、腾讯、百度、华为在内的公司都相继建立了量子计算实验室或者研究所专门发展量子计算技术。IBM于上月宣布,将于今年10月中旬正式发布拥有53个量子比特的可商用量子计算机;随后,谷歌研发团队在一篇论文中透露,已首次实现量子霸权。IBM科学家在博客中认为,这个‘量子霸权’的门槛还没有达到。

量子计算机已成为引发激烈角逐的科技前沿,竞愈演愈烈。基本的共识是,目前的量子计算还有太多的具体问题需要解决,要实现量子计算的商用还有很长的路要走,任重道远。