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量子計算入門指南:它是如何工作的?現(xiàn)在怎樣了?

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發(fā)表于 2019-11-8 11:01:48 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
谷歌宣稱已經(jīng)實現(xiàn)“量子霸權(quán)”,IBM微軟也在開發(fā)量子計算機(jī),可以說量子計算已經(jīng)成為當(dāng)下炙手可熱的前沿技術(shù),!到底什么是量子計算,介紹與說明很多,,今天這篇文章只有2000字,,但它簡要介紹了量子計算機(jī),想科普一下的同學(xué)可以讀讀,。本文編譯自medium原題為“Quantum Computing:An Introduction for Programmers”的文章,。
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解決復(fù)雜問題時,量子計算機(jī)并不比人強(qiáng)多少,。量子計算機(jī)將復(fù)雜任務(wù)分解成許多簡單任務(wù),,與人類相比,計算機(jī)處理簡單任務(wù)時快很多,,這就是計算機(jī)的優(yōu)勢所在,。但經(jīng)典計算機(jī)存在限制:任務(wù)必須按順序出現(xiàn)。正因如此,,如果任務(wù)太復(fù)雜,,或者數(shù)據(jù)庫太大,想找到解決方案就會耗費(fèi)很長時間,。許多時候問題太龐大,,從數(shù)學(xué)層面看,即使是最強(qiáng)大的超級電腦也沒有辦法突破序列任務(wù)設(shè)定的障礙,,但量子計算機(jī)可以,,因為它有一些有趣的特征:疊加、糾纏和干涉,。
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如何工作的
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為了解釋這種現(xiàn)象,,我們回退一步。當(dāng)計算機(jī)將復(fù)雜任務(wù)分解成簡單小任務(wù)時,,最簡單的任務(wù)是什么,?就是在兩個選項之間選擇,比如在A或者B,、真或者假,、頭或者尾之間選擇,這些都是二元問題,。在計算機(jī)中,,二進(jìn)制代碼(用1或者0代表)可以轉(zhuǎn)化為計算機(jī)電路開關(guān)中的“開或者關(guān)”。雖然二進(jìn)制解決方案(信息比特)能以驚人的速度交流信息,,但讀取時必須一個接一個讀取,。量子計算機(jī)的效率高很多。與比特等價的是量子比特,,從本質(zhì)上講它相當(dāng)于一個可以承載可測量信息的粒子,。

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比特必須以一種二元狀態(tài)或者另一種狀態(tài)存在,但量子比特可以以量子態(tài)(疊加)存在,,它可以在同一時間以兩種狀態(tài)存在,。量子力學(xué)從很大程度上說就是概率游戲,量子比特變成狀態(tài)A或者B的概率可能是50/50,,也可能是70/30,、10/90或者其它比例。你可以這樣想像:量子比特的位置位于AB之間,,或者位于球面的某個位置,,球的一端是A狀態(tài),另一端是B狀態(tài),。不論怎樣,,因為量子有疊加特點,所以它可以同時在多個位置出現(xiàn),。為了找到問題的解決方案,,量子比特一次可以沿多條路徑前進(jìn),但比特一次只能選一條,。
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迪杰斯特拉算法(Dijkstra)可以幫我們找到抵達(dá)目的地效率最高的路徑,,量子比特沒有必要一條一條路探索(經(jīng)典計算機(jī)正是這樣做的),它可以同時分析多條路徑,,以更快的速度找到最棒的路徑,。當(dāng)問題越復(fù)雜,輸入信息越龐大,,經(jīng)典計算機(jī)尋找路徑的時間就會越長,。量子計算不一樣,它的效率高很多。

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想挖掘量子疊加的優(yōu)勢,,時間很關(guān)鍵,,因為量子比特與測量設(shè)備接觸時疊加特性會受到影響。我們管這種物理法則叫作“觀測者效應(yīng)”,。粒子雖然會同時表現(xiàn)出粒子和波的特點,,但是當(dāng)我們觀測時只能記錄其中一種。到底記錄到其中的哪一種取決于觀測,。所以說,,當(dāng)我們想探知量子比特攜帶怎樣的信息時,就會面臨這樣的障礙,。

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我們可以利用量子力學(xué)的第二個特點來克服 “觀測者效應(yīng)”,,這個特點就是“糾纏”(entanglement)。物理家已經(jīng)證實“糾纏”的存在,,也就是兩個粒子不管相隔多遠(yuǎn),,都能聯(lián)系在一起。現(xiàn)在我們可以操縱幾十個量子比特,,讓它們變成單一的糾纏狀態(tài),,這樣我們就能建立一個網(wǎng)絡(luò),它有2的n次方種可能性(n就是網(wǎng)絡(luò)中量子比特的數(shù)量),,它們可以協(xié)同工作,。

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如果量子比特攜帶相同的信息,如何處理,?那就要談?wù)劻孔痈缮媪�,,粒子具有波的特點,干涉是波的特征之一,。當(dāng)波峰與波峰相遇,,波谷與波谷相遇,彼此互補(bǔ),,效果就會放大,,這就是相長干涉。如果波峰與波谷相遇,,就會抵消,,這就是相消干涉。當(dāng)超過一個量子比特處于相長干涉狀態(tài),,它們的效果就會放大,,這樣就可以傳輸信息了。

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現(xiàn)在已經(jīng)走到了哪一步

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要想讓量子網(wǎng)絡(luò)真正發(fā)揮潛能,,還有一些障礙要跨越,。雖然與經(jīng)典計算機(jī)相比量子計算機(jī)解決問題的速度更快(也就是所謂的量子優(yōu)勢),,但是即使是當(dāng)今最大、最穩(wěn)定的量子系統(tǒng),,在商業(yè)上還是沒有實用價值,。
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實際上,往糾纏系統(tǒng)中添加量子比特是一件非常難的事,,因為網(wǎng)絡(luò)非常脆弱,。1998年,,IBM,、牛津、加州伯克利大學(xué),、斯坦福,、MIT成功將一對量子比特組合。20年后,,谷歌刷新紀(jì)錄,,將量子比特數(shù)量增加到72個。
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雖然糾纏能從一定程度上解決“觀察者效應(yīng)”這一問題,,但是量子狀態(tài)還是容易被破壞,,而且量子特征的持續(xù)時間也很有限。量子系統(tǒng)必須在退出疊加狀態(tài),、進(jìn)入退相干狀態(tài)之前找到解決方案,,否則就會失敗。
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外部因素也會導(dǎo)致量子比特退出疊加狀態(tài),,雖然我們可以增加量子比特的數(shù)量,,但是量子比特越多,越容易受到外部因素的影響�,,F(xiàn)在行業(yè)一般會用激光器,、磁場、超導(dǎo)體創(chuàng)建一個環(huán)境,,延長量子狀態(tài)的壽命(壽命一般用毫秒來計算),,這樣能降低“出錯率”。
當(dāng)出錯率下降,,觀測系統(tǒng)也許能取得突破,,我們可以根據(jù)觀測開發(fā)更棒的量子算法。一些行業(yè)玩家已經(jīng)允許客戶通過云進(jìn)入量子計算網(wǎng)絡(luò),,這樣就能讓研發(fā)變得更容易,。

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一旦我們可以建立足夠龐大、足夠穩(wěn)定的量子比特網(wǎng)各,,一旦出錯率降得足夠低,,量子計算機(jī)解決經(jīng)典問題時速度會更快,,不只如此,它還可以解決經(jīng)典計算機(jī)解決不了的問題,。

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到了這一階段就能實現(xiàn)“量子霸權(quán)”,。也有人認(rèn)為“量子霸權(quán)”不可能實現(xiàn),因為受到了物理原則和理論的限制,,量子計算不可能走到這一步,。
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有何可能性?
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一旦“量子霸權(quán)”真正實現(xiàn),,量子計算可以在許多科研領(lǐng)域派上用場,,用來解決復(fù)雜問題。在復(fù)雜而龐大的數(shù)據(jù)庫上查詢時,,它的處理速度更快,;到時機(jī)器學(xué)習(xí)將會突飛猛進(jìn);我們可以模擬更加復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu),,了解它們的行為,,這樣就可以在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得更多突破。

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有了強(qiáng)大的模擬能力,,對工業(yè)和科技產(chǎn)業(yè)也是好事,。不過量子計算機(jī)無法取代經(jīng)典計算機(jī),它要與現(xiàn)代機(jī)器結(jié)合起來用,。有了量子計算機(jī),,一些領(lǐng)域?qū)瓉碜兏铩?/font>
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當(dāng)AI、機(jī)器學(xué)習(xí)與量子計算結(jié)合,,也許會有很大的突破,。網(wǎng)絡(luò)安全行業(yè)也會擁抱量子技術(shù),因為即使是今天最棒的經(jīng)典加密技術(shù),,在量子系統(tǒng)面前也不堪一擊,。

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神譯局  譯者:小兵手
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