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什么是量子计算

领先图像©Bartek / Adobe Stock

就在几代人之前,房间大小的电脑还在噼啪作响,用穿孔纸带算法计算简单的算术。今天,智能手表里的微小晶体管能够进行比20世纪30年代的科学家们所能想象到的更先进的计算。现在,计算科学正处于另一场革命的边缘:量子计算机。

量子计算机长期以来一直是计算机科学的圣杯——理论上,这些机器将有能力超越任何经典计算机。虽然我们短期内不会去当地的百思买(Best Buy)购买我们自己的量子计算机,但这项技术的进步每天都变得越来越现实。像谷歌和IBM这样的公司正在强力争夺量子霸主地位硅谷的创业公司已经产生了成千上万的量子算法。

量子计算科学

在量子计算的中心是奇怪的和反直觉的量子物理学本身,它是在20世纪30年代被发现的。

经典物理学,那种描述苹果如何从树上掉下来的物理,依赖于精确的、可测量的性质来进行计算。例如,苹果树枝的高度和苹果的重量。但是量子物理学拒绝提供这些品质。相反,量子物理特性是由概率和测量不确定性来测量的。通常,这将是一个痛苦。但当涉及到提高计算能力时,它实际上可以派上用场。

传统计算以比特来衡量信息,比特可以表示0或1,可以组合起来创建计算机的每一次显示和点击。但是量子计算,甚至这些二进制位的信息也不是那么确定。量子位可以表示0、1或两者之间的一种状态。这在物理学上被称为叠加。

利用这种量子怪癖,原本需要数串二进制位的计算或软件执行现在只需一个量子位就可以完成。把多个量子位串在一起,计算的可能性就开始飙升。

为什么它很重要

一旦走出了尴尬的青春期,这些机器将在分解、搜索和建模等计算方面特别擅长,并且能够以比任何经典计算机快得多的速度完成这些工作。

这些功能不一定会加快你的谷歌搜索速度,但它们会帮助科学家在化学和药理学等领域取得突破。使用量子速度化学模型,有可能在数天内研制出候选疫苗,而不是数年。

量子信息处理也将改变我们的世界运行方式。专家们相信,量子计算机将能够轻易地破解现有的密码系统,暴露出世界上一些最敏感的加密信息。为了将来证明这些系统,科学家们已经在寻求开发量子加密技术,利用量子特性使其不可穿透。就像间谍可能会吞下氰化物药片而不是告诉你政府机密一样,用量子位元加密的信息一旦有人试图篡改就会消失。

的努力

在设计量子计算机时,增加量子位的数量是最重要的。近年来,IBM和谷歌凭借他们的超冷超导量子位元跃居世界前列。这些量子位没有电阻(这是超导材料的一种特性),而且因为它们是人工制造的,而不是自然收集的(俘获的离子量子位就属于这种情况),所以它们更容易控制。

量子计算背后的秘密武器是出了名的不稳定。

IBM的计算机目前能够运行65个量子位和53个量子位谷歌,这使得它们能够在几分钟内解决复杂的计算,而传统的计算机需要10000年的时间。谷歌的Sycamore计算机在2019年达到的这一里程碑被称为“量子霸权”。

两家公司都已经宣布计划在未来的几十年里建造1000台量子位计算机,这将使这些已经快到几分钟的计算减少到不到一秒。但即便如此,你更有可能发现这些计算机在服务器群中处理大量数据,而不是在你的互联网标签上折腾。

的挑战

但是,建造这样一台量子计算机之所以困难,部分原因是量子比特——这些计算背后的秘密武器——是出了名的不稳定。为了进行计算,研究人员必须将这些量子位元保持在非常不稳定的特定能量状态,但高速公路的振动,甚至环境室温,都足以使这些量子位元处于混乱状态。科学家称之为“退相干性”。

控制这些干扰的一种方法是把这些电脑放在巨大的冰柜里,保持在绝对零度(零下450华氏度)。但这是难以置信的昂贵。开发所谓的“热”量子计算——可以在室温下运行的计算机——可以大大节省未来计算机的成本和空间。

此外,现在的量子计算机必须投入少量有限的量子位来跟踪由于这些扰动而累积的误差。开发更有效的方法来追踪或规避这些错误,可以帮助把这些边线量子比特带回主游戏中,进而提高计算能力。

现在看来,这些目标似乎很遥远,但研究人员有信心,这种量子计算有朝一日会对我们的生活产生巨大影响。

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