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从算盘到加法器,再到量子计算机,人类将会如何被计算改变?

北极蚊子 2017-7-30 12:21

量子物理学听起来玄而又玄。在微观领域,粒子所呈现出的异于经典理论的量子现象至今仍困扰着物理学家。与此同时,各个领域的科学家们也正在合作,尝试着利用量子世界中的一些特点建造出能力远超电子计算机的量子计算机。人类对于量子计算的研究起步较晚,想要取得任何进展更是不易,需要在多个领域之间相互配合进行系统工程研究,但量子计算目前所展现的潜力已经使这个领域的研究成为人类科技发展的焦点之一。

为什么全世界都会研究量子计算?

电子计算机早已成为人们日常生活的必备电器。在各种各样的功能之下,电子计算机是通过由半导体材料制成的各种逻辑器件作为最基础的计算单元,现实世界中的一切信息都被转换为电子计算机中的“0”和“1”两种信号进行存储和运算。但树可以长高,却终不能抵天,研究者们正在榨取半导体材料最后的潜力,电子计算机的发展正面临各种瓶颈。

那么,人类是否可能制造出一种能力远超电子计算机的机器?科学家们发现,在微观世界中物质的存在方式和运动规律都与人们所熟悉的经典世界完全不同,其中最奇特也最令人无法理解的,就是微观粒子的“量子态”(superposition),即一个微观粒子可以同时存在于多个不同的位置或者同时具有“0”和“1”两种状态,另外微观粒子之间可能还会形成“量子纠缠”(quantumentanglement),两个无论相隔多远的粒子的状态都会随时相互影响。

受到量子特性的启发,1994年,麻省理工学院的科学家彼得·秀尔(Peter Shor)提出了著名的“秀尔算法”(Shor’s algorithm),解决了建造量子计算机的理论问题,从此引发了全世界量子计算的研究热潮。

量子计算机与经典计算机黑盒

量子计算的研究突破:秀儿算法的实现

相比于电子计算机的发展历程,量子计算机的研究进展并不算顺利,原因就在于微观粒子的量子态非常难以维持和测量。想要利用微观粒子的量子态和相互纠缠现象实现“量子比特”,可以同时具有“0”和“1”两个数值,进而制造出“量子逻辑门”,这非常不容易。因为,研究者们需要把量子计算机的工作环境,始终维持在接近绝对零度的低温状态。

量子计算机内部

在2001年,IBM公司的一个研究小组首先通过实验实现了秀尔算法,各家公司和实验室紧随其后,用各种方式实现更复杂的秀尔算法。

量子计算的研究的一切都需要由最底端从零开始,想要有所发展更是需要常年坚持不懈的坚持努力。一方面,人类对于量子计算机的前景寄予厚望——因为可以同时拥有多个状态,在理论上,量子计算机的计算能力随着量子位数量的提升将会呈指数形式上升,量子位数越高,计算能力越强,误差也越小;另一方面,因为量子态极难维持和探测,至今为止人类开发的大多数量子计算机都还处于起步阶段,与实际应用还有一段距离。

但有一点毋庸置疑,量子计算机强大的计算能力一旦投入实际应用,人类众多的科研领域都有可能在短时间内取得巨大的突破,同时还会刺激诸如纳米加工技术和软件系统等一系列相关产业的发展。

不过,IBM公司进行量子计算研究的科学家杰瑞·周(Jerry Chow)介绍,因为其超强的性能远超日常需求,并且需要维持在极低的温度下进行工作,量子计算机在未来或许不会像电子计算机一样在大众中间普及和流行,但用户可以通过使用智能终端来使用量子计算机提供的云服务。

应用场景的突破:

量子计算的巨大想象空间

目前,人工智能领域的发展还需要依赖电子计算机相对薄弱的计算能力,这使得一些人工智能系统——包括IBM Watson系统——都受到自身计算能力的限制,无法产生足够的数据进行分析。

在传统的计算模式中,想要获得问题的最优解,计算机需要把所有的可能性都计算一遍,耗时问题显而易见。量子计算则可以利用量子叠加态,一次性完成所有计算,并从中举出最优方案。

量子计算对当前计算能力实现了指数级的提升,量子位数越多,功能越强大。“RSA”是目前最有影响力的公钥加密算法,它能够抵抗到目前为止已知的绝大多数密码攻击。对于密级最高的1024位二进制RSA密码,用当前最强大的计算机进行破解,需要300万年的时间,而使用1024量子比特的量子计算机,则需要几天的时间就可以破解。

IBM量子计算科学家 Hanhee Paik(左)和 Sarah Sheldon(右)

展示纽约约克敦 IBM T. J. Watson 研究中心内

一个打开的稀释制冷机内的硬件。

我们可以做这样形象生动的联想:如果要普通电子计算机完成大量级的计算,相当于不断增加一个方案解决小组的人数,而量子计算机的计算能力则在一开始就如同一尊千手千眼佛。

在现实生活中,量子计算的这一优点突出应用于医疗领域——根据收集到的每个人的具体情况,由量子计算机支持的人工智能系统可以轻而易举地提供个性化的健康状况预测,以及相应疾病的治疗方案。相较于传统的计算模式,量子计算不仅得出结论更快而且误差更小。在粮食与食品安全领域,量子计算机同样被给予厚望,达到足够量级的量子计算机甚至能够计算出转基因食品对人类的潜在影响,从而指导研究人员对转基因食品进行风险预测和DNA结构优化。

量子霸权:

超越现存最高性能计算机能力的时代

目前国际上有众多机构都在进行量子计算的研究,各家机构对于量子比特的控制能力有所不同,因此实现量子计算的途径也有所区别。目前IBM公司所进行的是通用量子计算机研究,对于量子比特的控制也最多和最稳定,这使他们走在世界量子计算机研究的最前列。

IBM研究员萨莎·谢尔顿(SarahSheldon)和

帕特·古曼(Pat Gumann)在操作量子稀释制冷机。

在2017年3月,IBM公司建立了首个商用通用量子计算机平台“IBM Q”,这标志着人类对于量子计算机的研究达到了一个全新的实用阶段。目前平均每一天都有数以千记的用户通过IBM Q计算平台,利用这款17量子位的处理器进行超过30万次的计算实验。相对于纯粹的商业逐利,IBM公司更着眼于推动人类的科技进步,把量子计算的的概念向整个人类社会进行普及,使IBM Q平台成为人类进行量子计算研究的新起点。

2000年前,古代中国人发明了珠算。1642年,法国数学家帕斯卡采用与钟表类似的齿轮传动装置,制成了最早的十进制加法器。1946年,美国宾夕法尼亚大学莫尔学院制成的大型电子数字积分计算机(ENIAC),后经多次改进而成为能进行各种科学计算的通用计算机。这就是人们常常提到的世界上第一台电子计算机。

今天,数据正在成为社会的基础资源,强大的运算能力将实现人们更多的梦想。量子计算机应运而生,并逐步走出实验室,服务于现实生活,医疗健康、食品安全、材料科学、金融、保险,甚至时尚创意等行业都是未来量子计算机着力发展的方向。包括IBM在内的多家量子计算领域投入研发的公司,都宣称未来还将逐渐增加计算芯片的量子位数,根据目前科学家的测算,50个量子位的处理器,其计算能力将超越现在地球上最强劲的超级计算机,这必将再一次深刻改变人类社会的发展。

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