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本文来自微信公众号:大数据 | 发布时间:2018-10-06 21:00:00

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一文读懂量子计算机的前世今生,它的未来人类连想都不敢想

一文读懂量子计算机的前世今生,它的未来人类连想都不敢想

钱纲 大数据


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导读:今天,我们处于工业革命4.0的时代。如果从人类对物体间的相互作用和物质层次上来看这几次工业革命。


我们会发现,以蒸汽机为代表的工业革命1.0使人们从自然现象中抽象出了力的概念,人们以此建立了描述宏观物体之间的相互作用理论;当人们建立、理解并应用了电磁力概念之后,工业革命2.0随之而来,人们仰仗的是分子之间相互作用的理论;当人们理解了原子核内的相互作用后,工业革命3.0和4.0应运而生,这一时期,人类建立了描述原子间相互作用的物理理论——量子力学和相对论


那么在这么强大的理论指导下会产生什么样的技术革命呢?这样的技术对我们的日常生活会造成怎样的影响呢?


作者:钱纲

本文摘编自《硅谷简史:通往人工智能之路》,如需转载请联系我们




01 量子计算机的前世今生


20世纪初,相对论和量子力学引发了一场翻天覆地的物理学革命,这是人类史上最伟大的知识综合。但是,相对论和量子力学之间存在着矛盾。相对论的创始人爱因斯坦和量子论创始人尼尔斯·玻尔(Neils Bohr)为此争论了一生。玻尔去世的前一天,还在黑板上涂抹着爱因斯坦反对量子论的哥本哈根解释的理想实验示意图。


量子论的哥本哈根解释虽然在实验中得到了验证,但是哥本哈根解释很让人费解,因为它放弃了物理事件的定域性和实在性,这与人们的常识相悖。爱因斯坦和玻尔一直到死也没有说服对方。


20世纪60年代,英国物理学家约翰·贝尔(John Bell)在数学家冯·诺依曼的《量子力学数学基础》一书中发现了一个简单的错误,并在此基础上推导出一组著名的不等式——贝尔不等式(Bell's inequality),这是物理学史上的最著名的一组不等式,因为它可以被用来验证我们的宇宙是定域实在的还是依赖于人们的观察的。也就是说,它可以用实验来解决爱因斯坦和玻尔之争。


▲玻尔(左一)和爱因斯坦(右二)


贝尔不等式提出后,就有人对其进行了实验验证,因技术限制,结果不令人信服。


1982年夏,随着激光技术的进步,精确验证成为可能。法国奥赛光学研究所的物理学家阿莱恩·阿斯派克特(Alain Aspect)主持了第一次精确意义上的贝尔不等式验证。


他们把钙原子激发到高量子态,再让它落回到基态,释放出一对对光子,让两个光子飞出相隔约12米后,测量其相关性。要是世界符合爱因斯坦理论,两个光子的相关性就应符合贝尔不等式。反之,两个光子就是纠缠着的,世界就不是定域实在的。


3小时后,实验结果出来了,符合量子论,爱因斯坦的预测偏离了5个标准差。阿斯派克特小组的报告于当年12月发表在《物理评论快报》(Physics Review Letters)上。


直到今天,全世界的物理学家还在重复着阿斯派克特的实验,新手段不断被引入。马里兰和罗切斯特的研究小组用紫外光观测到了连续的输出相关性;在英国,有人用光纤将两个纠缠的光子分离4公里以上;在日内瓦,这一距离达到了数十公里。在这样的距离上,贝尔不等式仍然不成立。


1990年,格林伯格(Greenberger)、霍恩(Horne)和蔡林格(Zeilinger)等人用三个光子的纠缠避开了贝尔不等式,证实了量子论的预言。2000年,潘建伟小组在《自然》杂志上报告,他们的实验证实了GHZ定理,再次否决了定域实在。该现象变得如此不容置疑,以至于在量子信息领域里,这已是检验两个量子比特是否纠缠的常规测量方法了。


阿斯派克特实验是物理史上影响最深远的实验,它可以和1886年的迈克尔逊——莫雷实验(Michelson-Morley Experiment)相提并论。大多数人早就预料到了量子论的胜利。因为量子论自创立以来,在它的每一个应用领域里都取得了成功。


阿斯派克特实验之后,人们开始相信宇宙是非定域的。也就是说,处在纠缠态的两个粒子之间有着某种实时的相互影响。因为它不能用来实际传送信息,与相对论并不矛盾。量子纠缠为我们提供了一种完全无法破译的通信手段,这是一种高速、安全的通信技术,我国的潘建伟教授在该领域多有建树。


基于量子纠缠现象,有人提出了量子计算机的概念。早在1957年,曾在玻尔研究所工作过的普林斯顿大学物理系教授约翰A.惠勒(John A. Wheeler)的学生休·埃弗莱特(Hugh Everett),就在他的博士论文中提出了量子论的多宇宙解释(multiverse),为量子计算机奠定了理论基础。


来自以色列的牛津大学犹太裔物理学家大卫·多伊奇(David Deutsch)曾向埃弗莱特请教希尔伯特空间的问题。多伊奇后来对量子计算机做出了重大贡献。


▲量子纠缠


今天的计算机,本质上都是图灵机。它读入数据,按算法处理数据,输出结果。计算机用二进制处理信息。1个二进制数是1个比特(bit)。传统计算机中1个比特取值只能是0和1,即开关电路的开或关。10个比特能记录1个10位的二进制数。


在量子计算机里,1个比特同时记录0和1,即所谓的量子比特(qbit)。10个量子比特记录的不再是1个10位二进制数了,因为每个比特都处在0和1的叠加态,10个量子比特记录的是2的10次方的二进制数的叠加。传统的10个比特只能处理1个10位的二进制数,10个量子比特能同时处理2的10次方个二进制数。


利用量子比特进行图灵机式的计算在20世纪70年代和80年代初便由贝内特,贝尼奥夫等人提出来了。


1982年,美国物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)发现,用计算机来模拟量子叠加时,计算量随模拟对象的增加指数式增长,传统计算机很快就无法模拟了。费曼指出,也许人们能反过来用量子过程来模拟计算过程。


1985年,多伊奇仿照图灵的做法,证明了普适量子计算机的可能性。即在理论上,能制造一台机器,模拟任何量子计算机的过程,使得一切形式的量子计算成为可能。传统计算机中的逻辑门,在量子计算机中只需把它们换成量子逻辑门即可。


多伊奇还证明了量子计算机无法超越算法,即它只是一台图灵机。和传统图灵机不同,其内部状态不定,它能同时进行多个指向下一步的操作。传统计算机属于决定性图灵机(Deterministic Turing Machine,DTM),量子计算机是非决定性图灵机(Non-Deterministic Turing Machine,NDTM)。


多伊奇还证明了量子计算机非常高效,它在执行同一运算时的复杂性比传统计算机低得多。因为量子纠缠是天然的并行计算,传统计算机处理10比特的信息时,量子计算机处理了2的10次方个经典比特。


大卫·多伊奇



02 量子计算机的应用和未来


量子计算机使计算不再是问题。它最可能的应用场景是电子加密术。如今的加密技术依赖于大数的不可分解性。即把一个很大很大的数做质数分解的困难几乎是不可克服的。


随着数字的增大,一般的质数分解方法所需的时间按指数增长。目前最好的算法也只比指数性增长稍好。如果用一个大数来加密,那么只有当这个数分解时才会泄密,因此很安全。目前最流行的加密方法,都是以此为基础的。


量子计算机的并行机制让它能同时处理多个计算,使大数从此不再难解。1994年,贝尔实验室的彼得·肖尔(Peter Shor)提出了一种量子算法,能有效地分解大数,把分解的难度从指数级降到了多项式。


分解一个250位的大数,传统计算机用今天最有效的算法,再让全球所有计算机联合工作,也需要几百万年。量子计算机只需几分钟。量子计算机分解250位数时,进行的是10的500次方的并行计算。


1996年,贝尔实验室的洛弗·格罗弗(Lov Grover)发现了一种可以有效搜索排序的数据库的算法。该算法把传统计算机算法的复杂性降低了根号n次。


目前几乎所有国家都在关注量子计算,更多的量子算法肯定会被创造出来,如果有一天量子计算机能够实现的话,那么目前的所有加密算法都将不再有效。



就算法而言,量子计算机有两大优点:一是对于任意一个传统计算机的算法,均有其相应的量子算法;二是存在着传统计算机算法无法模拟的量子算法。人们只要造出位数和传统计算机相近的量子计算机,传统计算机算法就必然会被取代。


量子计算机现在只是刚起步,目前的硬件水平还不能制造出能实际应用的量子计算机,量子态的纠缠很容易退相干,这是目前面临的严重技术困难。但人们的探索从未因此停止。


2013年6月,中国科学技术大学潘建伟院士的量子光学和量子信息团队首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验,还发现了世界上稳定度最高的量子存储器,为实现实用量子计算机做出了重大贡献。


2015年5月,IBM开发出4个量子比特的原型电路,是未来量子计算机的基础;IBM还发现了比特翻转(Bit-Flip)与相位翻转(Phase-Flip),使量子计算机工作更稳定。


2016年8月,美国马里兰大学发明了世界上第一台5个量子比特的可编程量子计算机。


量子计算除了其并行的内禀性,其计算还是可逆的,也就是说其计算是零能耗的,或者说是绝热的。


在量子计算机商业化中,位于加拿大的D-Wave公司(D-Wave Systems,Inc)走在最前列。2011年5月11日,D-Wave公布了D-Wave One,成为世界上第一台商用量子计算机。这是一台由绝热理论的量子退火技术为基础制造的128个量子比特的量子计算机。它被用于解决最优化问题。


2013年5月,D-Wave称NASA和Google订购了一台512量子位的D-Wave Two量子计算机。其量子计算芯片由加州NASA喷气推进实验室的微型设备实验室制造。


▲D-Wave芯片


随着人类使用的数据量越来越大,各种类型的量子计算机一定会走进我们的日常生活。不过,目前来看一台简单的传统通用计算机就足够了。量子计算机尽管在短期内不可能取代传统计算机,但它仍是人类科技文明的一个里程碑,是未来科技的引擎。



03 量子通信


纠缠的量子除了为量子计算奠定了基础,也是量子通信的基础。当两个纠缠粒子中的一个量子态发生变化时,另一个会实时发生相应变化。


也就是说,其状态变化是真正实时的。两个纠缠的粒子一旦其中一个的状态被测量了,另一个粒子的状态也会改变,这一特性使量子通信的安全性得到了保障。


目前,量子通信网已经建成,尽管量子通信仍在研发阶段,但其规模已经很可观了。2005年,美国建成了DARPA量子网,有3个节点,它们是BBN公司、哈佛大学和波士顿大学,延伸长度为10公里。


2008年10月,欧盟在维也纳演示了一个基于商业网络包含6个节点的安全量子通信系统。


中科大的潘建伟教授科研团队在量子通信领域里,一直处于世界领先地位。他们于2004年实现了五光子纠缠和终端开放的量子态隐形通信。2009年,该团队在合肥演示了一个4节点的全通型量子通信网,其最近的两个节点超过16公里。


2014年11月15日,潘建伟团队把该系统的安全距离扩展至200公里,刷新了世界纪录。2016年8月16日,该团队发射了首颗量子科学实验卫星。


今天,科学发展的趋势有两个:一是发现现有物质在原子层面和分子层面的组合方式,这包括生命科学、高端材料等学科;二是探索世界存在的本质,量子论和相对论是这一领域里的两大利器。


截至今天,如果想在这些领域内有突破性的进展,就必须要突破计算量太大的难关。就像在生命科学中,只有搞清楚有机物分子的排列,才有可能去模拟生命的各种可能性。


量子计算对这些领域的发展意义极大,计算能力的飞跃必然导致这些领域的大发展,届时生命、物质、能量、空间、时间的本质就会展现在人类的面前,今天的人类连想都不敢想的应用会随之出现。


量子计算一定会给这个世界带来一次全新的技术革命,今天的我们甚至无法想象这样的技术革命会给社会带来怎样的变化。


关于作者:钱纲,现就职于美国德州仪器公司,从事半导体工艺及半导体器件的开发与研究工作。科学网人气作者,其作品在线获得超过千万人次的浏览量。钱纲的作品以涉及历史、科技的杂文、随笔为主。主要作品有美国历史及人物纪事《美国往事》,硅谷历史《硅谷简史》等。


本文摘编自《硅谷简史:通往人工智能之路》,经出版方授权发布。


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