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大家好

说到量子论

在应用方面最前端的话题

一定是量子计算机

我们知道

现代计算机是

冯·诺伊曼计算机

它遵循著名的摩尔定律

每过18个月

集成电路上

可容纳的晶体管数目就会增加一倍

而计算机的性能会提升一倍

这种趋势已经持续了半个多世纪

计算机也的确是变得越来越小巧

它的功能也越来越强大

目前

组成计算机开关和存储器单元的

半导体晶体管

它的大小已经接近了单原子水平

那么

摩尔定律真的可以

一直 一直 一直有效吗

晶体管

也可以不断 不断 不断地缩小吗

事实上

今天在硅晶片上面的加工尺度

已经达到了0.1微米的量级

再往细微的方向走

这些微小的器件

将不再遵循经典的物理规律

经典物理理论也会逐渐失效

这个时候

计算机将遇到一个经典的瓶颈

这确实是个问题

很显然

把晶体管做得像原子那么小

这个时候的微型晶体管

不一定遵循经典物理定律

而成为一个遵循量子定律的

量子晶体管

那时

按照经典物理定律设计的计算机

是否还能正常工作呢

这个问题

已经在科学家们的脑海里

回荡了几十年

最先考虑这个问题的是

IBM的物理学家Rolf Landauer 和

Charles H. Bennett，Landauer

他们率先指出

信息它也是一种物理的存在

必然遵循物理定律

并可以对它进行操控

这一思想开启了量子计算的大门

简单的说

现代计算机是冯·诺伊曼计算机

那么它的计算是将

所有的信息

都转化成0和1来

表示

存储

处理

再通过算法的指令实现这个计算

与此相反

量子计算的基本单元是

原子尺度的单位

即量子比特

它们遵循了量子力学特有的叠加态

也就是

量子比特

能同时存储多个值

可以是1或者是0

又或者是既是1又是0

甚至它可以是

1与0中间的任意数

如果你觉得这太不可思议

那就想想我们上节提到的

那些既是粒子又是波的光子

或者是那只既死又活

不死不活的薛定谔的猫

叠加态可以理解为

就像两列独立的波

在空间相遇形成一系列新的波

两列波的强弱

相交时彼此的位置等等

可以让他们在空间上

形成不同的波动

但分开后

他们还是原来的自己

没发生什么变化

这样的叠加态

可以使得单个量子比特

本质上可以同时进行2个计算

注意是单个量子

同时进行2个计算

当某个装置

处理和计算的是量子信息

进行的是刚刚所说的

量子计算的时候

这样的机器就是量子计算机

量子比特可以存储在

原子 离子或者更小的

电子 光子中

量子计算机

像一个小型的桌面核子

物理实验室

不过我们不是用它来做

粒子的对撞实验

而是希望通过某种方法

让原子保持在某种状态

这就意味着你可以去存储它

经过某些操作或者运算之后

让它变换到另一种状态

当然这个时候

你要知道它是从什么状态

变成了什么状态

这一过程中

就可以进行信息处理了

显然

传统的计算机

它的信息处理是串行的

而量子计算机是并行运行

运行速度呈指数上升

这种计算方式

远远比传统计算机更加高效

利用相干叠加的方式来计算

就是量子计算机最显著的特征

那么

它的计算能力有多强呢

我们可以这么来比方

量子计算机

之于传统电子计算机的速度

就相当于电子计算机之于算盘

想像一下

你被要求在5分钟之内

在美国的国会图书馆

找某一本书某一页上

一个大写字母 X

这对人来说几乎是不可能的

因为那里有5000万册以上的书

但是假设

你处于5000万个平行的现实中

每个现实都可以查看不同的书籍

你肯定能在其中某个现实中

找到这个 X

在这个假设中

普通计算机

就像那个疯子一样的那个你

你想在5分钟之内

尽可能尽可能多的去找书

而量子计算机是怎么做的呢

它能将你复制出5000万个

每个人只要去找其中一本书就可以了

这听起来好像是魔法或者巫术

但你并非是唯一这么认为的人

总的来说

普通计算机

只能按照时间的顺序

一个一个地去解决问题

而量子计算机

却可以同时解决多个问题

因而量子计算机

它不仅仅是速度超快

与普通计算机相比

它还能解决复杂得多的问题

在寻找问题解决方案的时候

它和我们人类很像

这可以使得

它们能执行很多人类才能胜任的工作

这么说

量子计算机

真是很梦幻的计算机啊

我们来设想一下

在量子计算机的场景下

在生活中

它可以简化

空中和地面交通控制的工作量

因为它们

善于迅速计算出最佳路线

如果你计划公路旅行

期间要在10个不同地方停留

普通计算机可能需要

单独的计算所有可能路线的长度

最后筛选出一条最佳路线

而量子计算机

可以同时计算所有路线的长度

并以更快的速度

去找出最佳的路线

因此我们将来

也许不会再有交通拥堵噩梦

此外

无论我们自己是否意识到

我们实际上

都是一直在使用加密技术

当我们查看电子邮件

或者是使用信用卡网上购物的时候

我们都非常的依赖加密技术

通过使用量子计算机

类似的怪异的量子力学特性

加密技术将变得非常的安全

基于量子计算机的

超级安全通信

被称为量子密匙分配

它允许某人发送信息给其他人

而只有使用

量子密匙解密之后

才能阅读这个信息

加上这个时候

遭到第三方拦截

由于量子力学的怪异魔力

信息会顿时变得毫无用处

而且再也没有人能够读取它

这种技术

目前已经在欧洲一些地方开始使用

当然现在无法大规模的使用

在军事和国防上

我们的卫星

的确是在不断地收集

大量照片视频等等资料

但是我想

任何人都不可能去

搜遍分析和理解这么多的数据

普通计算机也不太擅长

瓦尔多在哪儿

这一类的识别任务

因此很多数据只是被扔在一边

在某些被丢弃的数据当中

我们可能会错过关键情报

但量子计算机

却可以

比普通电脑或者人类快得多的速度

去筛选这样大量的数据

并向我们提供

哪些照片或者视频

需要做进一步分析

哪一些它是可以忽略和丢掉的

量子计算机

非常善于从混乱的背景中

找出具体的细节

更让人听起来

有点毛骨悚然的是

像人类一样

量子计算机

可是会从经验中吸取教训

它们可以自我纠错

比如

量子计算机实际上

可以修改出现乱码的程序代码

这一概念和Facebook新闻流

会根据你的点赞

而进行相应变化是类似的

只是更为复杂一些

当然了

刚刚所描述的场景

还只是局限于我们的想象力

量子计算机

初创企业QxBranch

董事会成员雷伊·约翰逊

他曾经说

我认为量子计算机

将会有很多

我们今天无法想象的应用

那么

量子计算机进展到底怎么样呢

是在科幻小说中还是进入实验室

或者已经在实际当中有了应用呢

我相信大家都很希望了解

从量子计算的概念

它的提出到现在

已经过去了三十多年

长长的一段时间内

量子计算机

还只是停留在纸面上

重大的突破发生在2000年

当时在

IBM 的Almaden研究中心工作的张以撒

利用5个氟原子

完成了一个

原始的5-量子比特量子计算机

同年

洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员

完成了一个7-量子比特的量子计算机

5年后

也就是2005年

因斯布鲁克大学的研究人员

成功的操纵了8-量子比特的量子计算

2011年

加拿大D-Wave系统公司

在《自然》杂志上

发表了128-量子比特的

量子计算机的实验报告

并在2013年宣称

与谷歌共同预定了一台有

512个量子位的D-Wave Two量子计算机

2016年5月

IBM研发了

基于超导效应的

量子逻辑门架构的

通用量子计算机

这其中

值得一提的是

中国科学技术大学

潘建伟院士领衔的

量子光学和量子信息团队

在国际上首次成功实现了

用量子计算机求解

线性方程组的实验

当然了

相关消息还有

大概在2016年7月份

中国的第一颗

也是全球第一颗

量子卫星

会在500公里轨道开始发射

实现一个安全的密码输送

我国在这方面的研究

也是很令人骄傲的

即便如此

量子计算机领域

还是在一个初期阶段

甚至大多数科学家相信

在接下来的十年里

量子计算机

从实验室走到我们的日常生活中

不太现实

我们对量子计算机所抱有的期望

包括强大 高速 节能

而目前的量子比特计算机

无论是理论的开拓上

还是实验的成品中

所投入的成本是十分高昂的

但是梦想总是要有的

万一实现了呢

量子计算机的出现

一定会让计算的概念焕然一新

让我们拭目以待吧

这一节就讲到这里

谢谢