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不能。
虽然你有数次听过量子计算机的大名,但就像一切带“量子”两字的概念,你大约率(100%)不甚了然。
量子计算机的概念 1980 年代提出,投入研发 20 年,迄今还没有一台真正走出实验室。但传说它(未来会)很凶猛。谷歌、IBM、阿里巴巴和许多初创公司在竞争,想第一个完成“量子霸权”,也就是让量子计算机在一个计算义务中快过传统计算机。
为了在芸芸众生中彰显你的卓尔不凡,不妨深刻了解一点量子计算机的原理。其实它和我们熟知的电脑差不了多少。
量子计算机:量子版的计算机
“别把量子计算机想成全新的系统,它就是经典计算机的扩展版,处处模拟经典计算机。”安徽问天量子科技股份有限公司首席迷信家、中国迷信技术大学中科院量子信息重点实验室韩正甫通知科技日报记者。
韩正甫说,经典计算机以电压上下代表数字 1 或0,即为一比特(bit)。
而量子计算机里对应的是量子比特(Q-bit),那能够是自旋箭头向上或向下的一个电子,也能够是“立直振动”或“躺平振动”的光波……等等。
传统计算电路由各种“逻辑门”组成,对应的就是量子计算机的各种“量子逻辑门”。都是依据一定的规则,变化存储位的 0 和1。
韩正甫说:“传统计算机是这么玩的:一排存储位写出来一个初值(比如 10011001)。接上去若干步操作,每一步存储器里边的数都变换成另外一组数。走完顺序停上去,把外面的数读出来,比如 00101010,就是计算结果。”量子计算机异样如此。
量子计算机不同之处,是丘比特(Q-bit)特别灵敏,没 bit 那么死板。它同时是 0 和1。比如:它是六成的 0 和四成的1。这让它有了超才能。学过一点量子力学才能了解Q-bit 的奥妙。
模糊又准确的Q-bit
什么叫“它是六成的 0 和四成的1”呢?
补习一下高中物理:20 世纪初的实验发现,物质粗大到极限,就无法被准确测量。由于测量意味着干预,哪怕你只看一眼。
当对象庞大到了量子级别,它的形状会被观测彻底破坏。(特地一说,“一触即溃”的效应被用于量子通讯。用量子来承载密码,可以做到有人窃听这个密码信号,一定会被觉察。)这就叫“测不准原理”。东西越小,就越显得模糊。你去测量一个电子的位置,这次测出来在北京,下次测出来在天津。我们只能说一个量子“大约率在北京“,”大约率自旋箭头冲上“,”大约率平躺着振动“……
这些概率,是可以屡次测量确定的,虽然单次测量的读数不一定。
所以量子比特是模糊的也是准确的:同一个数时而读出0,时而读出1;但屡次去读,出现 0 的概率会趋于一个定值,比如说 60%。
为什么量子计算更快?
“在传统计算机里,一个高电压叠加另一个高电压,依然是一个高电压;量子比特的叠加则不同。”韩正甫说。
量子比特存储的是一个矢量,就似乎一个时钟,时针对应着概率。
时针可以指向零点(量子比特读数 100% 是0),或指向三点(读数 100% 是1)。或指向一点半(50% 是0,50% 是1),或指向恣意一个角度。
传统计算机存储的是“10011001”。
量子计算机存储的是“钟钟钟钟钟钟钟钟”。(请自行想象酒店大堂挂的一排)
传统计算中,1 和 0 叠加为1,再叠加一个1,失掉0。
量子计算中,“三点”和“零点”叠加为“一点半”,再叠加“三点”,失掉的是“两点一刻”。
比起 bit,Q-bit 更有表现力。一个Q-bit 可包含有限复杂的数字。在这个意义上“以一抵多”。一个Q-bit 投入变换,等于多位数字一同变换,即所谓“并行计算”。
并行计算潜力发扬到极限的状况下,量子计算机的算力比起传统计算机,是2^n:1。
但要强调的是: 量子计算机的结果来自概率统计。量子计算机与传统不同,它要一次次重复顺序,一次次地读数(每次结果都不一样)。循环往复,足够屡次(让概率的可信度超过 99.99999%)后,统计出各量子位为 1 和 0 的比例,那才是需求的数字。所以碰上不太复杂的计算义务,量子计算能够比经典计算机更慢。
彩虹与斑马
有量子计算机之前,数学家就在畅想应用量子比特的“丰厚外延”大大缩减计算时间。不过迄今数学家只证明在两种场景中,量子计算大大快于传统计算机。
首先是破解 RSA 算法。RSA 是如今最常用的加密办法,其机理是应用因数分解的困难——把两个大质数相乘很复杂,而把乘积拆成两个质数,计算机能够得算几万年。
所以银行可以地下发送一个几千位的数字,并掌握它的两个质因数,而不担忧有人算出这两个质因数——用于制造私有的数字钥匙。
但二十多年前 Peter Shor 证明一种基于量子计算机的算法,可以轻松分解因数,这也让学界研发量子计算机的兴味大增。
另一种能够的运用是“搜索未排序的大数据库”,或许叫“易如反掌”。传统计算机只能一个一个比对目的,而量子计算机则可以并行计算。传统计算机用时是T的话,量子计算机用时是“根号T”。前者要破费 1 百万小时的义务,后者一千小时就能处置。
除了以上两类计算,量子计算机还被寄希望于未来在化学、制药等范围大发神威。理由是:不同于传统计算机,量子计算机是真正的模拟计算机,可以重现真实的自然(物理学家费曼第一个指出这点)。
传统比特的 0 和 1 相当于彩色两色,量子比特的“可以指向任何角度的时针”就相当于全彩色谱,可显示出任何一种颜色。
假设说传统的存储器是斑马,量子存储器里就是彩虹。世界是多彩的,用彩虹去描画世界,当然更直接,更便捷。
才刚起步
量子很软弱,动不动就会崩溃。
“要将信息编码在一个十分庞大的东西上去,比如一个电子,或一个原子核,都首先要把它孤立开来,让它跟周边不作用。这种纤细的控制是很难的。”韩正甫说。
各种量子载体都伴随着共同的困难,比如光子时辰行进,电磁场又左右不了它,操控起来很费事。目前研讨者在大约在实验几十种载体:电子、光子、圈套里的离子……
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