量子計算機(jī)來了

吉安

量子，一聽這個詞，你會不會覺得它只屬于高端科學(xué)，和我們的生活沒有什么太緊密的聯(lián)系？現(xiàn)今，計算機(jī)與量子發(fā)生了奇妙的“結(jié)合”，那就是量子計算機(jī)。

量子計算機(jī)（Qantum computer），遵循量子力學(xué)的規(guī)律，進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運算，是存儲和處理量子信息的裝置。如果裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法，那這個裝置就是我們下面要談的量子計算機(jī)。量子計算機(jī)的概念源于對可逆計算機(jī)的研究，研究可逆計算機(jī)的目的就是為了解決計算機(jī)中的能耗問題。

只聞其名，量子計算機(jī)，大概就能猜到它是實現(xiàn)量子計算的機(jī)器。要說清楚量子計算，首先要先看經(jīng)典計算。經(jīng)典計算機(jī)從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法是由計算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來實現(xiàn)的。1920年，奧地利人薛定諤、愛因斯坦、德國人海森伯格和狄拉克共同創(chuàng)建了一個前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。量子力學(xué)的誕生為人類未來的第四次工業(yè)革命打下了基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一項新技術(shù)，那就是量子計算機(jī)。量子計算機(jī)的技術(shù)概念最早由理查得·費曼提出的，后來經(jīng)過若干年的研究，這項技術(shù)已初見成效了。

2013年5月23日，Google與NASA（美國宇航局）合作建立了一個實驗室，其目的就是研究量子計算機(jī)。Google與高?？臻g研究協(xié)會（與NASA有密切合作的非盈利組織）購買了量子計算機(jī)，開始進(jìn)行量子計算的研究工作。

量子計算與傳統(tǒng)計算的區(qū)別

傳統(tǒng)計算機(jī)利用幾百萬個電子晶體管進(jìn)行數(shù)字運算，將0和1作為基本元素。量子計算則完全不同，它更有彈性，不再使用二進(jìn)位代碼，取而代之的是量子位元，又叫量子比特，它可以同時代表0和1。

傳統(tǒng)計算機(jī)在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運行，但量子計算機(jī)要更為強(qiáng)大，它可以在量子比特上運算，可以計算0和1之間的數(shù)值。假想一個放置在磁場中的原子，像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。按常識理解原子的旋轉(zhuǎn)可能向上，可能向下，但不可能既向上又向下。但在量子世界里，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，它一個向上轉(zhuǎn)的原子和一個向下轉(zhuǎn)的原子的總和，即每一種物體都可以被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來描述。

換一種表述，傳統(tǒng)計算機(jī)只能使用“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)來控制電流，而量子計算機(jī)具有“開”和“關(guān)”同時存在的第三種狀態(tài)，這是量子世界不同于粒子世界的特性。使用量子計算機(jī)能并行處理更多的信息，計算速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計算機(jī)。要進(jìn)行量子計算并不容易，但在某些傳統(tǒng)計算機(jī)容易失敗的領(lǐng)域，它卻可以充分發(fā)揮優(yōu)勢。

量子計算機(jī)依賴的是量子機(jī)制來提高其計算速度，量子機(jī)制決定了所有物質(zhì)和能量的行為表現(xiàn)，即使只利用量子機(jī)制的簡單特性，構(gòu)造出的計算機(jī)表現(xiàn)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何一臺超級電子計算機(jī)。加拿大公司D-Wave表示，它的“Orion”只是傳統(tǒng)計算機(jī)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，并不是要取代誰。換句話說，量子計算機(jī)還沒有發(fā)展到可以“獨領(lǐng)風(fēng)騷”的地步。

用一個簡單的例子來描述量子計算機(jī)和傳統(tǒng)計算機(jī)的差別：在一個虛擬界面上存在山岡和低谷，目標(biāo)是找到最低點。傳統(tǒng)計算機(jī)是從一個點開始尋找，不斷搜索，有系統(tǒng)地搜索：是這里嗎？這里呢？查找的過程很慢，除非有無限的時間和無窮的耐心，否則就只能選擇“足夠好”。現(xiàn)在的答案固然不錯，但新的、更低的點也許在幾次計算后才出現(xiàn)。相比量子計算機(jī)的效率就要高得多了，因為它可以同時用多個標(biāo)準(zhǔn)來評估，從而大大改進(jìn)計算的效率。

量子計算機(jī)無法替代傳統(tǒng)計算機(jī)

IBM和微軟等許多公司都在研究量子計算技術(shù)。D-Wave是唯一銷售量子計算機(jī)硬件的廠商，公司表示，在少數(shù)復(fù)雜問題上，量子計算機(jī)的速度要比傳統(tǒng)計算機(jī)快5萬倍。但需要注意的是，“高速”是有前提的，因此所謂的高速是受條件限制的。如果你只想發(fā)個郵箱、聽首音樂，量子計算機(jī)不會讓你覺得有什么太大的區(qū)別，但要完成復(fù)雜任務(wù)就不同了。Google Research工程主管表示，希望量子計算機(jī)可以讓研究人員更有效率地工作，更準(zhǔn)確地為一切研究建模，包括語音識別、網(wǎng)絡(luò)搜索、蛋白質(zhì)折疊等。

因此，量子計算機(jī)不會很快淘汰傳統(tǒng)計算機(jī)，它有自己的限制，而且它很難建造，價格很高。到目前，量子計算機(jī)大多是基于理論的，量子人工實驗室設(shè)立的目的之一就是推動理論的發(fā)展。它的目標(biāo)是將理論用于實踐，解決現(xiàn)實問題，為真正的量子設(shè)備編寫代碼。

Google為什么對量子計算機(jī)感興趣

Google對新技術(shù)一直很癡迷，社交網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、自駕汽車，現(xiàn)在又是量子計算機(jī)。這些項目的相似之處，就是它們都可以強(qiáng)化公司的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。

Google希望利用量子計算更好地理解人類的語音提問，這項技術(shù)不只可以用在搜索引擎上，還可以用在移動應(yīng)用上，如Google Now和Google Maps。

Google稱：“我們已經(jīng)開發(fā)一些量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法。當(dāng)中一些可以提高識別能力，比如在移動設(shè)備電源不足時識別。一些可以處理高度污染的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實世界中，許多時候數(shù)據(jù)被貼錯標(biāo)簽。我們還可以從中學(xué)習(xí)到一些經(jīng)驗，比如，純粹使用量子計算不會得到最好的結(jié)果，將量子計算與傳統(tǒng)計算結(jié)合會更好?！?/p>

在谷歌的量子人工智能實驗室當(dāng)中，量子計算機(jī)會先進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，這是電腦學(xué)習(xí)的信息模式，可以提高它們的輸出“吞吐量”。然后，量子計算機(jī)要負(fù)責(zé)進(jìn)行個性化的互聯(lián)網(wǎng)搜索和以GPS數(shù)據(jù)預(yù)測交通的擁堵情況。另外，還要進(jìn)行面部或語音的識別、生物行為，或者是龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)管理工作。

Google官方博客表示，如果世界需要建立有效的環(huán)境政策，就需要建立更好的模型來描述全球的天氣和氣候，否則就不會有令人信服的證據(jù)。

谷歌已經(jīng)為量子計算機(jī)修改了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種算法原本由D-Wave系統(tǒng)公司設(shè)計。D-Wave向洛克希德·馬丁公司出售了首臺商用量子計算機(jī)，洛克希德公司官員表示，計算機(jī)會被用于測試和測量工作，如噴氣飛機(jī)的設(shè)計或衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性。

量子計算機(jī)的廣闊前景

近年來，由于社會對高速、保密、大容量的通訊和計算的需求，促進(jìn)了量子信息、量子計算理論和實驗的迅速發(fā)展。

2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計算機(jī)。

2009年11月，世界首臺量子計算機(jī)正式在美國誕生，這一量子計算機(jī)由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制，可處理兩個量子比特的數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)計算機(jī)中的0和1比特，量子比特能存儲更多的信息，其性能大大超越傳統(tǒng)計算機(jī)。

2010年3月，德國某研究中心發(fā)表公報稱其超級計算機(jī)成功仿真42位量子計算機(jī)。在此基礎(chǔ)上，研究人員首次可以仔細(xì)地研究高位數(shù)量子計算機(jī)的系統(tǒng)特性。

IBM的科學(xué)家在量子計算方面取得重大突破，2012年1月完成系列量子計算試驗，在絕對零度條件下證實了通過量子技術(shù)一秒鐘可以進(jìn)行億萬次運算。傳統(tǒng)計算機(jī)數(shù)據(jù)位非0即1，而一個量子可以擁有0、1以及同時0與1三種狀態(tài)。這項技術(shù)突破允許科學(xué)家在初步計算中減少數(shù)據(jù)錯誤率，同時在量子位中保持量子機(jī)械屬性的完整性。

量子計算機(jī)可以進(jìn)行大數(shù)的因式分解和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對進(jìn)行量子通訊的實驗中發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息。正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實現(xiàn)的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。此外量子計算機(jī)還可以用來做量子系統(tǒng)的模擬，一旦有了量子模擬計算機(jī)，就無需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在傳統(tǒng)計算機(jī)上做數(shù)值計算，便可精確地研究量子體系特征。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機(jī)。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個“量子夢”。如何實現(xiàn)量子計算，方案很多，問題是在實驗上實現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實困難。未來，也許現(xiàn)有的方案都派不上用場，最后脫穎而出的是一種全新的設(shè)計。

我們期待真正量子計算機(jī)的到來！