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量子计算到底是个什么鬼?

这几天,朋友圈被刷屏的非马云的云栖大会莫属,在此次大会上,阿里巴巴进行了一系列重磅的发布,其中,阿里云联合中国科学院量子信息与量子科技创新研究院(上海)共同宣布“量子计算云平台”上线,应该算是众多发布中前沿科技味道最浓的一个,老孙有幸参与了阿里的这次盛会,也掺和着想进阿里巴巴量子峰会学习学习,但连门都很难挤进去的盛况,给老孙留下了深刻的印象。这也从一个侧面说明了量子计算到底有多热。

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那么,问题来了,量子计算到底是什么?为何IT业界对它推崇备至?为何它被称作“自然赋予人类的终极计算能力”? 下面,老孙就试着给大家解释下。

什么是量子计算?

百度百科对量子计算的解释是:量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,目前某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

这段晦涩的文字老孙试着用通俗的话来解释一下:量子计算是一种全新的基于量子力学原理的计算模式,而量子计算机则是采用这种模式设计的计算机,其计算速度远超当前的计算机。

再打个形象的比喻,如果将现在计算机的速度比作“自行车”,那么,量子计算机的速度则是“飞机”,因此,说量子计算是“自然赋予人类的终极计算能力”并不夸张。

量子计算为什么这么快?

那么,又一个问题来了,量子计算为什么这么快?咳咳,这个问题确实很复杂,老孙试着给大家解释一下。

众所周知,大家目前使用的计算机(我们暂且称之为传统计算机吧),是一个基于二进制的系统,而实际上二进制也是为传统计算机量身定做的,通过二进制这种计数方式,可以很方便的将电路的通、端,电压的高、低等,通过“1”和“0”两种形态在传统计算机中表示出来,从而通过表现这两种形态中一种的一系列信号流而形成有意义的信息。而存储这两种形态中的一种的存储单位就叫做比特。而一个比特里存储的信息必须是“1”或是“0”。因此,1个比特可以表示0或1两个数之一,2个比特可以表示0、1、2、3四个数之一, n个比特可以表示 2^n 个数之一。因此,n个比特的信息容量其实就是2的n次方。

而对于量子计算就完全不同了,量子计算机中类似于比特的单位是量子比特(qubit),相对于比特中存储的信息只能是“1”和“0”两种状态,量子比特中存储的信息可能是“1”也可能是“0”,换句话说,就是量子比特里存储的信息可以既是0,又是1。因此,一个量子比特可以同时表示1和0两个数,两个量子比特可以同时表示0、1、2、3四个数,n个量子比特则可以同时表示2^N个数,而且随着n的增加,其表示信息的能力将指数上升,例如,一个250量子比特的存储器(由250个原子构成)可能存储的数将达到2^250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。

而计算机能处理的所有信息实际上都是基于对于数字的数学计算,如果能够提高计算机数学计算的速度,计算机处理信息的速度自然就会相应提高。由于数学计算可以同时对存储器中全部的数据进行,因此,量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。其效果相当于传统计算机重复实施2^N次操作,或者采用2^N个不同处理器实行并行操作。而这就是量子计算机为什么会这么快的秘密。

如何实现量子计算?

那么,下一个问题又来了,既然量子计算这么牛,那我们到底该怎样实现量子计算呢?或者说,我们该如何利用量子计算强大的并行计算能力呢?

显然,我们首先必须要找到适用于这种量子计算的有效算法。 Shor于1994年发现第一个量子算法,它可以有效地用来进行大数因子分解。大数因子分解是现在广泛用于电子银行、网络等领域的公开密钥体系 RSA安全性的依据。采用现有计算机对数 N(二进制长度为logN)做因子分解,其运算步骤(时间)随输入长度(logN)指数增长。迄今在实验上被分解的最大数为129位,1994年在世界范围内同时使用1600个工作站花了8个月时间才成功地完成了这个分解。若用同样计算功能来分解250位的数则要用80万年,而对于1000位的数,则要有10^25年。与此相反,量子计算机采用 Shor算法可以在几分之一秒内实现1000位数的因子分解,而且操作时间仅随输入数的3次方增长。可见 Shor量子算法将这类“难解”问题变成“易解”问题。在量子计算机面前,现有公开密钥 RSA体系将无密可保!

而1997年Grover发现了另一种很有用的所谓的量子搜寻算法也是一种量子计算的经典算法,它适用于解决如下问题:从 N个未分类的客体中寻找出某个特定的客体。经典算法只能是一个接一个地搜寻,直到找到所要的客体为止,这种算法平均地讲要寻找 N/2次,成功几率为1/2,而采用Grover的量子算法则只需要 Nkk√次。例如,要从有着100万个号码的电话本中找出某个指定号码,该电话本是以姓名为顺序编排的。经典方法是一个个找,平均要找50万次,才能以 1/2几率找到所要电话号码。 Grover的量子算法是每查询一次可以同时检查所有100万个号码。由于100万量子比特处于叠加态,量子干涉的效应会使前次的结果影响到下一次的量子操作,这种干涉生成的操作运算重复1000(即 N √)次后,获得正确答案的几率为1/2。但若再多重复操作几次,那么找到所需电话号码的几率接近于1。Grover算法的用途很广,可以寻找最大值、最小值、平均值等,也可以用于下棋。最有趣的是可有效地攻击密码体系,如 DES体系,这个问题的实质是从n=256≈7×1016个可能的密钥中寻找一个正确的密钥。若以每秒100万密钥的运算速率操作,经典计算需要1000年,而采用Grover算法的量子计算机则只需小于4分钟的时间。

至于另一种经典的量子去火算法,由于比较深奥,老孙在这里就不给浪费笔墨了,大家可以自行去知乎查阅https://www.zhihu.com/question/26933442

有了算法,我们必须还要有把算法实现的计算机才能充分发挥量子计算的优势,那么,下一个问题又来了,现在有没有可用的量子计算机呢?

量子计算机在哪里?

事实上,加拿大量子计算公司D-Wave早在2011年5月11日就正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”。D-Wave公司的口号就是——“Yes,you can have one.”。D-Wave On采用了128-qubit(量子比特)的处理器,理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。不过严格来说它还算不上真正意义的通用量子计算机,因为它是一台只能用一些量子力学方法解决特殊问题的机器。通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手,而且编程方面也需要重新学习。另外,为了尽可能降低量子比特的能级,它需要利用低温超导状态下的铌产生量子比特,D-Wave 的工作温度还必须保持在绝对零度附近(20 mK)。

今年年初,D-Wave公司推出D-Wave 2000Q,他们声称该系统由2000个量子比特构成,可以用于求解最优化、网络安全、机器学习、和采样等问题。对于一些基准问题测试,如最优化问题和基于机器学习的采样问题,D-Wave 2000Q胜过当前高度专业化的算法1000到10000倍。

IBM对量子计算也很关注,去年IBM发布了基于5个超导量子比特的量子计算云平台IBM Research Quantum Experience,公众都可以注册一个账号编写量子算法,通过云平台模拟或者实际使用位于IBM实验室的量子计算机运行自己的算法。然而IBM也仅仅实现了5个量子比特,而且拓扑结构受限制,是由4个位于正方形角落的Qubit和中间一个Qubit组成,双比特门只能搭在中间一个与四周任一个之间,算法设计会受影响。IBM的超导量子比特(准确的说,是Superconducting Transmon Qubit)相对其他Qubit的物理实现,优势在于可扩展性有潜力提升,和目前微电子加工技术兼容,缺点是退相干时间相对较短。近些年IBM在这方面进步很快,呈指数增长,并且实现了有效的错误检测方法,奠定了发布量子计算机的基础。

在国内,中国科学院在5月3日也对外宣布了第一台能够超越人类第一台计算机的量子计算机已经诞生。虽然这个消息并没有大张旗鼓的对外宣传,可中国这次低调透露了军工尖端技术的领域的重大突破。

当然,阿里云联合中国科学院量子信息与量子科技创新研究院(上海)共同推出的“量子计算云平台”也是国内在量子计算机领域的重大成果之一。

量子计算的未来

讲了这么多,相信大家应该也能够基本了解量子计算以及量子计算机能够给我们带来的巨大影响和变革,因此,量子计算具有划时代的意义。300多年前,牛顿力学的诞生不仅完善了现代科学的基础,更是推动了第一次、第二次产业革命。受益于两次产业革命,英国、德国、美国跻身世界工业强国。而20世纪初兴起的相对论和量子力学,则可以视为继牛顿力学后的第二次科学革命。以此为基础推动的第三次产业革命,即信息技术革命,延续至今。而量子力学和量子计算,就像中国科学院院士潘建伟说的那样,“量子力学催生了第三次产业变革,目前它又为了解决重大的瓶颈问题做好了准备,这就是说我们量子力学本身正在孕育着新的一次革命。”

至此,老孙这篇文章到此就告一段落,如果大家对深入了解量子计算有兴趣的话,可以继续参看CSDN博客的量子计算专题,http://blog.csdn.net/column/details/16030.html,以及下面参考文章中知乎的相关文章。

参考文章:
知乎:
https://www.zhihu.com/question/26933442
https://www.zhihu.com/question/53050049/answer/133527929

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