人类正跨入量子计算新时代

5月16日,谷歌宣布成立了一个量子计算研究所。次日,谷歌宣布购买全球第二台 D-Wave 量子计算机。谷歌将与 NASA 和大学研究机构共同分享这台电脑。此前,今年3月30日,D-Wave公司向洛克希德?马丁公司出售了首台商用量子计算机。

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前后不到两个月,由加拿大D-Wave公司出品的第二代量子计算机一台被美国军工巨头、另一台被美国互联网巨头买走。我们有理由相信,这是一个里程碑时刻:人类文明正在跨入量子计算新时代。

量子概要 在微观中,物理量变化是以最小的单位跳跃式(不连续)进行的,这个最小的基本单位就是量子。

如果将磁场中的原子自旋视为一个量子。这个原子在同一时刻的状态是自旋轴向上和自旋轴向下同时存在的总和,即自旋轴向上的同时也自旋轴向下(量子叠加)。虽然目前物理学还无法解释其中的原因,但理论推导和实验观测都是如此。

在量子世界,不管两个有共同来源的粒子距离多么遥远,一个粒子的变化立即就影响到另外一个粒子,是为量子相干。譬如两电子发生正向碰撞,若其中一电子是向左自转的,那么另外一电子必是向右自转。一旦量子系统与外部环境发生相互作用,会导至量子相干性的衰减,即消相干或退相干(即薛定谔猫)。

任何对量子状态的测量(即与外部环境发生相互作用)都会发生退相干。这是一个困扰物理学界的难题。法国物理学家阿罗什和美国物理学家维因兰以其独立发明的方法,在不退相干的情况下实现了对量子状态的测量,从而获得2012年诺贝尔物理奖。

量子计算 在磁场下,如果原子自旋轴向上为“0”,自旋轴向下为“1”,那么量子比特(qubit,昆比特)在同一时刻可代表2个状态:“0”和“1”。 一个量子比特有两个状态,N个量子比特就能存入2N个二进制数。维因兰称:“通常,有N个量子比特的计算机可以同时对2N个数值进行操作。300个量子比特所能存储的数值就会比宇宙中的粒子总数还要多。”

假设磁场中的一串原子,各自有初始的自旋状态。一束激光照射过来,激光束会改变一些原子的旋转状态。如果能测量激光束进入前后的差异,就能完成量子“计算”。 阿罗什和维因兰的成就在于功克退相干难题,使量子测量得以实现。其成就的意义正如瑞典皇家科学院所说,“他们的突破性方法向着建造基于量子物理的新型超快计算机迈出了关键一步”。

量子计算机 中科院院士、中科院量子信息重点实验室主任郭光灿指出,量子存储器的能力是传统存储器的2N倍,对其操作一次,可以同时将其存储的2N个数据变换成新的2N个数据,这就是量子计算机独有的使效率大幅提高的并行运算模式。在量子计算机面前,电子计算机就是一把不折不扣的算盘。

2011年5月,D-Wave推出全球首台商用量子计算机D-Wave One,配备128-qubit量子处理器,理论运算速度超越现有所有的超级计算机。2012年,D-Wave推出512个量子位的量子计算机D-Wave Two。2013年美国Amherst 学院的计算机科学家进行了一次量子计算机,与英特尔Intel Xeon E5-269服务器之间的对比测试。测试包含了三个NP困难测试,其中的一项就是极为困难的旅行推销员问题。结果表明,D-Wave 比英特尔系统速度快4000倍。

量子计算时代,罗斯定律将取代摩尔定律。罗斯定律以DWave的创始人罗斯名字命名,其内容为“量子位数量每年翻番”。按照罗斯定律,2012 年量子计算机将与传统计算机的性能相当,2013 年相当于全球所有传统计算机能力总和,2014年将有解决任何非量子计算机无法解决的问题的能力,如全球气候、生物进化、仿真大脑、宇宙起源等。

取代电子计算的量子计算时代已经开启。顺之者昌,逆之者亡。真的,这不是吓唬谁。

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