什么是量子计算?普通计算机按照严格的逻辑规则运行。但微小的量子物体 - 如电子或光子 - 可以打破这些规则量子计算是我们可以使用这种量子规则来以新的方式处理信息的想法 - 这与常规计算机的工作方式完全不同。这使得它们在某些情况下比任何常规计算机都快得多。

例如,一台量子计算机可以轻松破解保持网上银行安全的代码。

那么,就像超级计算机一样?

不完全是。量子计算机不仅仅是一台“更快”的计算机。有一些特定的任务 - 例如分解非常大的数字 - 量子计算机将是惊人的。(这是代码破解的用武之地 - 见下文。)但是对于大多数工作来说,量子计算机会比普通计算机好一点。

那么量子计算机可以用于什么?

它们可能对政府机构,研究和开发公司以及大学解决当前计算机所面临的问题最有用。

物理学家理查德费曼在1981年提出的第一个实际想法是使用量子计算机来模拟量子力学。这会影响化学和生物学。例如,化学家可以准确地模拟药物相互作用,生物学家可以研究蛋白质可以折叠和相互作用的所有可能方式。

虽然量子计算机曾经是一种学术上的好奇心,但1994年美国数学家彼得·肖尔(Peter Shor)找到了一种使用量子计算机来破解密码的方法时,兴趣爆发了。

目前,许多在线安全系统的运行原则是,几乎不可能占用大量数据,并弄清楚它的主要因素是什么。普通计算机所能做的就是一个接一个地尝试各种可能性 - 这项任务可能需要数十亿年。使用Shor的算法,量子计算机可以在几个小时内完成任务。

量子计算机在识别数据模式方面也非常出色 - 这对于机器学习问题很有用,例如能够识别图像中的不同对象。他们可以很好地建立预测未来的模型,例如长期天气预报。

但最终,量子计算的使用是不可预测的。考虑到1943年,IBM总裁托马斯沃森说:“我认为世界市场上可能有五台计算机。”现在每个家庭都有五台。

如果先例是任何指南,我们还没有想象量子计算机的用途是什么。

量子计算如何运作?

常规计算机基于“位” - 将它们想象为指向1或0的小开关。

量子计算依赖于量子比特或“量子比特”,它也可以表示0或1.疯狂的是,量子比特也可以实现混合状态,称为“叠加”,它们在同一时间都是1和0时间。这种模糊性 - “成为”和“不成为”的能力- 是量子计算能力的关键。

叠加如何帮助?

常规计算机和量子计算机之间的区别归结为它们如何解决问题。

一台普通的计算机试图解决一个问题,就像你试图逃离迷宫一样 - 通过尝试每一个可能的走廊,回到死胡同,直到你最终找到出路。但叠加允许量子计算机一次尝试所有路径 - 实质上,找到捷径。

计算机中的两个位可以处于四种可能的状态(00,01,10或11),但在任何时候只能有一个状态。这限制了计算机一次处理一个输入(比如在迷宫中尝试一个走廊)。

在量子计算机中,两个量子比特也可以表示完全相同的四个状态(00,01,10或11)。不同之处在于,由于叠加,量子比特可以同时代表所有四个。这有点像四台普通计算机并排运行。

如果向常规计算机添加更多位,它仍然只能一次处理一个状态。但是当你添加量子比特时,你的量子计算机的力量呈指数级增长。对于数学倾向,我们可以说如果你有“n”量子比特,你可以同时代表2 n个状态。)

就像古老的印度人,一个名叫塞萨的古老印第安人,他发明了国际象棋游戏。国王对比赛很满意,并要求塞萨说出他的奖励。塞萨谦卑地要求一个棋盘,第一个广场上有一粒麦子,第二个广场上有两个,第三个上有四个,依此类推。国王立刻同意了,没有意识到他已经承诺了比地球上存在的更多的小麦。这是指数增长的力量。

就像每个广场加倍Sessa的小麦一样,每增加一个量子比特就会使处理能力翻倍。三个量子比特给你2 3,同时是8个状态; 四个量子比特给你2 4,这是16和64比特?他们给你2 64,这是18,446,744,073,709,600,000的可能性!这大概是一百万TB。

虽然64个常规位也可以表示这个巨大数量(2 64)的状态,但它一次只能代表一个。要循环使用所有这些组合,每秒20亿(这是现代PC的典型速度),需要大约400年。

所有这些意味着量子计算机可以解决古典计算机“几乎不可能”的问题。

但是为了获得指数加速,所有量子位的命运必须在称为量子纠缠的过程中连接在一起。这种奇怪的现象,即爱因斯坦称之为“远距离的怪异行为”,即使它们位于宇宙的两端,也可以连接量子粒子。

什么是量子比特?

要进行量子比特,您需要一个可以在两个状态之间达到量子叠加状态的对象。

原子核是一种量子比特。其磁矩的方向(它的“旋转”)可以指向不同的方向,例如相对于磁场向上或向下。

挑战在于放置并解决该单个原子。

由新南威尔士大学的Michelle Simmons领导的澳大利亚团队通过在硅晶体内的已知位置放置一个磷原子来制造原子量子比特。

另一个想法是从原子上剥离电子并将其转化为离子。然后你可以使用电磁场将离子悬浮在自由空间中,向其发射激光以改变其状态。这使得“陷阱离子”量子计算机成为可能。

超导金属环中的电流也可以是叠加的(在顺时针和逆时针之间),有点像一个小跑步机同时向前和向后运行。

光子可以在它挥动的方向上叠加。一些团体通过在迷宫般的光纤和镜子周围发送光子来组装量子电路。

你如何创建叠加?

你有没有试过在它的边缘准确地平衡硬币?这就是编程量子比特的样子。它涉及对量子比特做某事,因此,从某种意义上说,它最终会在状态之间“平衡”。

在原子核的情况下,这可能是通过用电场或磁场切换它,留下具有相同的旋转方式。

那么你如何从量子比特中读取信息呢?

关于量子计算过程中发生的事情,有神秘的光环。越来越多的物理学家将量子比喻描述为与平行世界进行一种量子化的讨论,以便得出答案。

但它不是魔术,它只是量子力学。

假设您的新64位量子计算机已启动并运行其第一次计算。你将所有64个量子比特叠加,就像64个硬币都在边缘平衡。他们共同拥有264个可能的状态。你知道其中一个状态代表了正确的答案。但是哪一个?

问题是,读取量子比特导致叠加崩溃 - 就像用拳头敲打桌子上的所有平衡硬币一样。

在这里,像Shor's这样的量子算法就派上用场了。它会加载量子比特,使它们更有可能落在正确的一侧,并给我们正确的答案。

有没有建造过量子计算机?

显然是的,虽然他们当中没有人能做到超越传统计算机的任何事情。

过去三年,量子计算取得了巨大进步。而在2016年,“ 自然 ”杂志正在庆祝由谷歌研究人员开发的九分钱计算机。18个月后,在2017年12月,IBM 报告了他们的50比特量子计算机。在四个月内,谷歌再次凭借其72比特的' Bristlecone '量子计算机再次领先。与此同时,IBM已经生产出第一台商用量子计算机 - 以20 美元的Qbit One机器提供云端访问,价格便宜。

尽管一些物理学家怀疑D-Wave已经构建了真正的量子计算机,但D-Wave仍然领先于使用2000超导环作为量子比特。

所有大型玩家都有他们的下一个重要里程碑:“量子至上”。这意味着量子计算机解决了超出经典机器能力的问题。从理论上讲,这应该可以使用50-qubit机器,但前提是错误率足够低。

为什么构建量子计算机如此困难?

每个级别都存在挑战,从组装量子比特,到读取和写入信息,到来回穿梭信息,而不会在不确定的情况下消失。

量子比特是最终的女主角。虽然好莱坞明星可能需要一个巨大的更衣室和一个装满玫瑰花瓣的浴室,但是一个量子比特需要完美的隔离,并且恒温器设置在绝对零度以上百分之一度。来自附近原子的最微小的振动会导致量子比特发出量子发脾气,并失去其叠加。

最重要的困难是如何保持叠加和纠缠的微妙状态足够长以进行计算 - 即所谓的相干时间。

尽管面临这一艰巨挑战,但构建第一台实用量子计算机的竞赛已经成为我们这个时代的重大科学挑战之一 - 涉及遍布全球的数十家研究机构的数千名物理学家和工程师。

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