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虚拟幻想将照进现实 量子计算机不遥远

政府采购信息网  作者:崔金泰  发布于:2017-02-13 10:15:40  来源:科学家
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  顾名思义,量子计算机是一种遵循量子力学规律,进行高速运算、存储及处理量子信息的物理装置。也就是说,它是一种基于量子效应的新型计算装置,其基本原理是以量子位作为信息编码和存储基本单元,通过大量量子位的受控演化来完成运算任务。由于量子计算机利用量子叠加特性进行超并行运算,其计算速度比传统电子计算机快得多。目前的超级电子计算机需要几百年乃至上千年才能完成的计算任务,量子计算机可在分秒之间给出结果。因此,量子计算机一旦研制成功,无疑将是计算技术上的一场革命。
 
  随着经济和科学技术的迅速发展,海量运算任务的及时完成和科技难题的解决都需要超高速计算机的支持。在这种情况下,我国和世界一些国家都在大力研制量子计算机,并取得积极的成果。

  量子芯片成为取得突破的关键
 
  在研制量子计算机方面,我国科研成果处于世界前列。前不久,中国科技大学的量子实验室成功研发出半导体量子芯片和量子存储技术,宣告我国对量子计算机的研究取得突破性进展,标志着我国已跻身于世界科技创新强国行列。
 
  这里需要强调的是,我国对量子计算机研制的突破是关键性的技术突破。众所周知,量子芯片被视为量子计算机的大脑,有了它,计算机的逻辑运算和信息处理就成为可能;有了量子存储技术,就能通过它实现超远距离的量子传输。因此,这一突破既振奋人心又增强了科研人员研发量子计算机的自信。
 
  说起量子计算机,有人可能感到陌生、深奥。因此,我们需要先了解量子是什么,通俗地说,量子就是构成物质的基本单元,是能量不可再分割的携带者。例如,光子是光能量的最小单元,也称光的微粒,不存在半个光子。量子有两个特性,一个是量子纠缠,利用它就可以远距离同步传递不会被破解的信息;另一个是量子叠加,是指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上。这表明量子的状态随机变化?两种状态可叠加存在,这就是量子叠加态。
 
  世界上大多数科技发明基本上都是由于社会需要和科学技术发展到一定程度而创造问世的,量子计算机也不例外。20世纪80年代初,美国物理学家理查德·费曼从科研实践中认识到,如果要用传统的电子计算机模拟量子力学,那么微观粒子数量越多,计算量也就越大,也就越不可能实现模拟。因此,要模拟量子力学,就必须采用和它的原理相同的方式。从此开始,量子力学便和计算机科学联系在一起。此后不久,科学家们提出了量子计算机的概念。随后,一些国家便行动起来研制量子计算机。
 
  例如,美国、加拿大和欧洲一些国家都全力以赴地研制量子计算机。美国IBM公司和加拿大D—Wave公司通过不同的方式各自创造出了功能计算机,但这些计算机无法扩展量子比特(Qubits,也即量子位),因而还不能称之为量子计算机。目前,大多数量子计算机的研制都还处于实验阶段,而美国谷歌公司宣布要成为世界上第一个研制出量子计算机的公司,并将于2017年研制成功。
 
  近期,谷歌的研究成果表明,高性能量子计算机的开发难度已比之前预期的要低。例如,在某些计算方面,包含50个量子位的量子芯片已经比传统电子计算机在运算能力方面更强大,这就更增加了谷歌研制量子计算机的信心。除谷歌外,美国微软、IBM和我国阿里巴巴公司都在进行量子计算机的相关研究,并取得了一定的成果。
 
  我国除了成功研发出半导体量子芯片和量子存储技术外,还创造性地开发出超晶格系统,以及分辨率达1微米的超冷原子显微镜,并通过这些装置在世界上首次制备和测控了约600对呈现纠缠状态的量子,迈出了量子计算机研制的重要一步。
 
  有耕耘才有收获。看来,性能高超的量子计算机离我们已经不再那么遥远,科学家们将用双手和智慧将它从虚拟的幻想变成人们需要的现实。

  具有超强计算本领的奥秘
 
  量子计算机之所以比传统电子计算机具有超强的本领,主要是因为它使用的是可叠加的量子单位比特即量子位,在处理数据时量子位可以同时处于0和1两个状态,这是由量子叠加特性决定的。与其相对比,传统电子计算机中的晶体管一次只能处于0或1的状态。因此,如果要进行海量运算,量子计算机就有了无与伦比的优势。这是由于电子计算机只能按时间顺序来处理数据,而量子计算机能做到超并行运算。具体来说,量子计算机的N个量子位可以同时存储2的N次方个数据,其数据量随N呈指数增长。与此同时,量子计算机操作一次等效于电子计算机要进行2的N次方操作的效果,一次运算相当于完成了2的N次方个数据的并行处理。这也就是量子计算机具有超强本领的奥秘。

  具有超强计算本领的量子计算机的出现,将把传统电子计算机远远抛在后面。例如,求一个300位数的质因数,目前最好的超级电子计算机需要几百年乃至上千年的时间来完成,而量子计算机可在以分秒计的时间内得到结果。再比如,号称目前性能最强大的我国“天河二号”超级计算机需要100年才能处理的任务,一台量子计算机只需0.01秒就能完成。
 
  量子计算机的最大优势在于具有强大的运算能力,能模拟复杂的物理变化和化学反应过程。因此,量子计算机在太空探测、核爆炸模拟、密码破译、材料和药物研制等领域具有突出的优势,有着广阔的应用前景。
 
  研制中的竞争与较量
 
  就如同研制智能手机、智能汽车和无人机等热门高端智能化产品一样,在“孕育”量子计算机的过程中也存在着竞争和较量。目前在研制量子计算机所取得的成果方面,中、美两国的研制团队名列前茅。
 
  早在2013年,谷歌公司就对D—Wave公司研制的所谓量子计算机进行了测试,以便弄清它是如何改善搜索功能和人工智能的,为研制量子计算机做了准备。2014年,谷歌公司聘请了加州大学知名物理学家约翰·马丁尼斯(John Martinis),致力于研发计算机的超导量子位课题。到了2016年6月,谷歌公司发表论文介绍其研制的量子计算机模型。一个月后,谷歌公司又发表一篇论文,将他们的研发计划命名为“量子霸权”,意即要成为量子计算机研制领域的霸主。论文宣示了谷歌建造世界上第一台超高性能量子计算机的愿景,其计算机的量子芯片将达到50个量子比特,因为这已经能使运算速度超过传统电子计算机。同时,谷歌量子人工智能实验室宣布,公司改进研制的D—Wave2x量子计算机的运算速度比传统电子计算机快1亿倍。
 
  谷歌公司的论文和数据公布后,引起了科技界的质疑和议论。一些专家评论说,传统的电子计算机电路由基本的门来构成,而标准的量子计算机也是由一系列逻辑门来构成量子电路,进而实现各种运算功能。而谷歌公司研制的量子计算机根本就没有量子计算机对应的门的概念,因而还不能称为标准的量子计算机。
 
  有的专家认为,谷歌公司所说的量子芯片为50个量子比特的计算机就可称为量子计算机,只因为这种计算机在执行某些运算时其运算速度能大幅超越传统电子计算机。这种说法是不确切的,要从量子比特本身来理解:通常,量子比特分为物理比特和逻辑比特。但物理比特不稳定,比如现在有10余个物理比特,但很快就会消失掉。对此就不得不通过纠错码过程对10余个物理比特做冗余,最后生成了一个逻辑比特,而逻辑比特有良好的容错特性。因此,量子计算要产生相对于传统计算有足够多的优势,有效的逻辑比特数目就必须大于30才行,而要研发出真正的量子计算机则需要几百个甚至上千个物理比特。
 
  谷歌公司声称研制的量子计算机要完成50个量子比特的目标,但并未说明是物理比特还是逻辑比特。若就量子位的数量而言,已经足以满足要求了;但如果是物理比特,50个物理比特显然距离标准量子计算机的要求甚远。
 
  总的来说,要建造成真正的量子计算机有两个基本要求:一个是量子逻辑门的精度足够高,另一个是逻辑比特的数量足够多。

  从这两方面要求来看,谷歌公司已研制和将完成研发的量子计算机都达不到这些要求,所以无法被称为标准量子计算机,称之为“量子退火机”或针对特定课题的专用计算机更合适。
 
  现在来看我国研制量子计算机的进展情况:中国科技大学量子实验室研发的氮化镓半导体量子芯片的量子逻辑门的精度已达到90%,在纠错码的辅助下,能满足容错计算的精度要求;其逻辑比特数量已达3个,距离量子计算机30个逻辑比特数目以上的要求已在接近。由杜江峰院士带队的研究团队其量子逻辑门的精度更高,达到99.99%,而单比特门的精度已能满足容错计算的要求。如果能进一步提高逻辑比特数并达到标准要求,那就能首先摘取量子计算机这颗明珠,成为世界第一台真正的量子计算机创造者。

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