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第四次科技革命:量子计算机

文=莊志刚

自20世纪40年代,电子计算机步入了飞速发展的快车道。从“电子管”到“晶体管”,从“集成电路”到“量子位”,计算机的运行速度由“高速”向“超高速”演变,算法由“简单运算”进化为“精准计算”,安全防护由“加密处理”升级至“深度加密”,处在由“量变”到“质变”的关键期。不少科学家预言,把量子力学应用于计算机领域将成为与工业革命中的“蒸汽机”、电气时代中的“电机和内燃机”及信息纪元中的“经典计算机”相提并论的颠覆性技术,或将引发人类历史上的第四次划时代的科技变革!

 

量子力学嵌入电子计算机

 

在2018年国际消费电子展上,英特尔公司正式展示其研发的49量子比特的超导量子计算机测试芯片“Tangle Lake”,相比传统计算芯片,其计算单元数量大幅提升。在之后举行的美国物理学年会上,在谷歌量子人工智能实验室从事科研的科学家朱利安·凯莉(Julian Kelly)表示,谷歌团队正在测试一台72量子比特的通用量子计算机。据称,此台计算机将实现与9量子比特的量子计算机持平的百分之一的低错误率!既具备超算能力,又兼具正确率,这引发了全球热议,甚至有科学家戏称“量子计算机即将走进寻常人家”! 

 

回顾量子计算机的发展历程,1981年是一个必须说的年份。是年,美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman)首次提出量子计算机的概念,指出通过应用量子力学效应,能大幅提高计算机的运算速度。经典计算机需几十亿年才能破译的密码,量子计算机在20分钟内即可破解。

 

1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔(Peter Shor)教授首次应用量子算法进行数的质因子分解,证明量子计算机能完成对数运算,且速度远胜经典计算机,这是在量子计算机理论提出十多年后的第一次成功实验。2007年2月,加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16个量子比特的超导量子计算机,但其作用仅限于解决某些最优化问题,与学界公认的能进行超算活动的量子计算机有较大差距。至此,量子计算机的研发陷入瓶颈。之后,经过数年的沉浮期,量子计算机的研发在21世纪的第二个十年呈现爆发式的发展态势,逐步由“实验室阶段”向“工程应用阶段”迈进。

 

在学界普遍的认知中,量子比特数值越高,对应的量子计算机的估算能力就越强大。随着学界对量子计算机研发的愈发重视,微软、谷歌、英特尔、IBM、阿里巴巴等科技巨头企业纷纷进军量子计算机科研领域,在抢夺量子霸权的高地上进行着激烈的PK(详见图表)。

 

那么为什么学界和科技企业均会加码量子计算机,纷纷抢夺量子蛋糕呢?答案或许就在于量子计算机的“快”!

 

量子计算机的“快”

 

谷歌量子计算专家约翰·马丁尼(John Martinis)在2017年11月接受《自然》杂志采访中表示,“一台50个量子比特的量子计算机的计算能力和运算速度将超过世界上任何计算机,能解决经典计算机所解决不了的问题”。目前,世界上超算能力最强的经典计算机是“神威·太湖之光”超级计算机,其峰值运算性能为12.5亿亿次/秒,持续性能为9.3亿亿次/秒。而一台50个量子比特的量子计算机,其持续性能为1125亿亿次/秒,超算能力瞬间秒杀前者。

 

另一方面,量子计算机的超算又造成其对海量信息的分析功能异常强大,能同时进行的运算更多。比如,量子计算机可以从庞大的排列组合中寻找最佳的正确答案。日本电报电话公司物理性科学基础研究所研发的超高性能新型量子计算机,能在按关系亲疏分组的2000人的测试中,以千分之五秒的速度得出正确答案,其速度约为目前最快的大型计算机的100倍。又比如,随着人脸识别在公共安全领域的深度应用,如何处理人脸识别数据成为一大难题。量子计算机可以瞬间处理监控数据库中60亿人次的脸部图片,并实时辨别出一个人的身份信息。在拥有如此强大能力的背后,其秘诀在于“量子比特”。

 

何为量子比特

 

解释量子比特,要从经典计算机的存储单位“比特”说起。我们普遍使用的经典计算机的存储单位是“比特”(Bit),应用的是二进制编码。因此,比特值要么是0,要么是1。其运算能力受限的根源就在于二进制编码。然而,量子计算机的运行规则就不同了。其最小的存储信息单位是“量子比特”。一个量子比特可以表示0,也可以表示1,更可以表示0和1的叠加。这意味着量子比特可处在0和1两种状态按照任意比例的叠加,可进行同步运算,即“量子叠加”。比如,一个放置于磁场中的原子,处于陀螺旋转状态。它的旋转轴既可以向上指,也可以向下指,还能向左、向右、向前、向后指。这好比分布在单位球表面上的任意一点的量子比特,其包含的信息量远超过只能向前或向后指的经典比特。除此以外,两个量子比特还可以共享量子态。分处两地的两个量子比特能产生共享,在量子叠加的基础上创造出更强的叠加效应,即“量子纠缠”。

 

这就是量子计算机超强信息处理能力的源泉。如同一个人面前有数十条路,只有一条路可以通往目的地。经典计算机会一条又一条路进行逐个试错,耗时又费力。但量子计算机却可以如同孙悟空似的变出无数个跟自己一模一样的猴子猴孙。尽管也是每条路都尝试,但却是“同时行走、平行估算”。这相当于一台经典计算机变成了无数台经典计算机,效率并非线性增长,而是指数增长!

 

重构世界的量子计算机

 

通过量子叠加和量子纠缠进行数据运算,量子计算机借助着先天的“快”,或将重新定义程序和算法,在加密通信、药物设计、交通治理、天气预测、人工智能、太空探索等领域有广阔的应用前景,颠覆了现今的普遍认知。

 

模拟药物成分碰撞,更高效地研发药物

 

开发一种新药是复杂的过程。药剂学家们需开展无数不同分子组合方式的试验,从而找到有效治愈某種疾病的药物特性。此过程可能持续数年,耗费大量的人力物力财力。但在后期实验时,仍然会有不少组合失败。信息化周刊

 

摘自:《检察风云》2018年16期

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