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揭秘!量子计算的可怕之处在哪?摩尔定律到达极限会发生什么?

全文共3156字,预计学习时长10分钟

来源:Unsplash

上个月,在《自然》杂志10月23日发表的一篇论文中,研究者称谷歌团队研发的量子计算机“西卡莫(Sycamore)”仅用200秒就能完成一次运算任务。而且这一运算任务非同寻常——这一任务即使由目前世界上最强大的传统超级计算机来运算,也需要耗费1万年以上的时间。


此研究成果一发布,震惊全球。相关报道接踵而至,甭管人愿不愿意,一时间大家被强行科普各种知识,并都不约而同地响应号召,发出一声“斯国一”的呼声。人人都是场面担当,撑场技术杠杠滴(包括小芯)。


据相关业内专家介绍,其实没啥,这只是量子计算运算能力的冰山一角。目前这项技术的发展水平就好比1903年赖特兄弟在基蒂霍克进行的驱动飞机起飞测试:量子计算才刚刚启航,但最终我们必将手摘星辰。

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数十万年来,人类仅有的工具是棍子、石头、大脑,最后是火种。但是我们发明了最伟大的工具——计算机。


从20世纪中叶到现在,在极短的时间里,计算机的处理能力几乎每隔几年就翻一番,现在我们已经进入了指数级增长的时代。1965年,英特尔创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)观察到,微芯片上的晶体管数量似乎每两年便会增加一倍,因此成本便会降低,计算机性能也会提高。这种增长趋势造就了如今的现代世界。但是现在,由于计算机零件越来越接近原子尺寸,该法则,即摩尔定律,即将达到极限。


计算机本质上是简单零件的集合,每个零件都有明确的职责。有的负责存储,有的依据逻辑运算和数字运算处理数据,还有的负责通过指令控制所有零件。


计算机芯片是最基本的零件之一。每个芯片包含各种模块,每个模块都有特定的功能,都有由晶体管制成的逻辑门。晶体管的连通与断开表现为二进制中的0或1,即开或关。逻辑门由一系列晶体管组成,这些晶体管可以自由组合进行更高级的运算,例如乘法和除法。有了这些晶体管,就可以对大量的信息进行计算,这样一来,人们就能够从事重要的工作,比如科学研究,当然了,还可以打游戏!打游戏!打游戏!(重要的事情说三遍)

目前,一个晶体管制程可以达到40纳米甚至更小,几乎只有人体平均细胞大小的500分之一


晶体管是电子流的开关。宏观层面上看,晶体管越来越小,越来越接近量子物理学所规定的最小尺度。目前,一个晶体管制程可以达到40纳米甚至更小,几乎只有人体平均细胞大小的500分之一。


本质上而言,目前晶体管的工作规模已经接近原子级。在这一层面上,电子不需要流动——它们可以通过“量子隧穿”移动。

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因此,利用量子物理学,我们可以制造量子计算机。现在,因为有了量子比特,比特不再是最小的信息单位了。正如比特具有两种状态一样,量子比特也仅呈现两种状态,但是这些状态可以用原子的任何物理性质(例如粒子的自旋、磁场、水平/垂直极化)来描述。


除此之外,在量子物理学中,状态并非只能是两种(“开”或“关”/“是”或“否”)——它们还可以“叠加”。叠加是一种量子特性,意味着粒子的状态可以是上述状态的任意结合或按比例叠加。就像薛定谔的猫一样,粒子可以成为任何东西,但是在实际检测或观察的时候,它只会处于一种状态。因此,不观察的时候,粒子可能会部分垂直极化、部分水平极化。而观察的时候,粒子将仅呈现这些状态的其中一种。


叠加的真正意义在于现有的潜在组合数量会急速增长。在常规计算中,4比特会产生16种可能的组合,但是只能使用其中一种。相比之下,4个量子比特实际上可以同时存储所有这16个值。容量有限不再是问题。


量子比特还表现出另一个奇妙的特性——量子纠缠(quantum entanglement)。无论两个量子比特在物理世界中有多远,它们都会神秘地联接在一起,对彼此的状态做出反应。利用这一特性,我们可以测量一个量子比特,同时知道与其纠缠的量子比特的属性。


量子互联网将极大拓宽信息获取渠道,分布式计算工作有望达到新高度


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一句题外话,量子纠缠也促进了量子隐形传态的研究。只要将一对已经纠缠的粒子放置在不同的地点,无论它们之间相隔多远,都可以利用传统的通信方法将其中一个粒子的状态发送给纠缠的另一方。


另一个可以利用的量子特性称为量子比特操纵。常规的计算逻辑门得到一组输入,给出一个输出。“量子门”则是输入一个叠加的量子比特,旋转它改变机率,输出一个新的叠加。此时可以测量量子比特,得到一系列0和1来代表所需的数据。这一过程的关键在于所有可能的答案会同时产生,而不像传统逻辑门仅有一个输出。得到的答案可能是正确的,也有可能是错误的(尽管概率非常低)。但是,由于已知所有概率,因此检查剩下的答案直到找到正确的答案,也不需要花费太多时间。


尽管量子计算目前并不完美,但是除存储容量外,其真正与众不同之处在于它的快速和高效。数据库就是量子计算绝佳的应用之一。现在,我们可以存储海量数据,而且搜索速度远远快于传统计算。

“我个人认为,量子计算将帮助我们理解我们自身行为产生的大量数据,解决一些非常有趣的问题。有些系统每天生成数十亿个数据集,而这些数据集或许可以解决一些影响社会的关键问题……”

——IEEE量子计算标准工作组主席威廉·赫尔利

量子计算还能以惊人的速率进行海量运算、生成大量概率,这也促进了模拟技术的发展。这些量子模拟将帮助我们研究几乎一切需要进行大量数字运算的事物,如天气、遗传和疾病、量子物理学等。

基于此功能,量子计算将极大地促进以下研究领域的发展:


•化学工程和分子建模

•因子分解和密码学

•改进对新空间发现和SETI数据(Search for ExtraTerrestrial Intelligence 搜寻地外文明)的分析

•人工智能和机器智能的发展

•土木工程和城市规划

•反恐斗争中的脸部识别和模式识别

•粒子物理学建模

•基因工程和遗传作图

•天气预报和气候预测


量子互联网将极大拓宽信息获取渠道,分布式计算工作有望达到新高度。

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量子计算所带来的负面影响之一是,人们利用量子计算破解密码或其他安全防御措施的速度会比利用传统计算机进行的暴力破解快很多。


我们需要一个新的范例来确保进步,而量子计算就是这样的范例。也许短期内我们不会看到家家户户都有量子计算机,但是科学家和研究人员已经在将其应用于大型项目了。


对当今世界而言,信息时代是一个非常繁荣的时期:计算能力的发展促进了人类绝大部分领域的惊人进步,同时也极大地提高了大多数人的生活质量。现在,我们每年产生的新数据和新知识比整个人类历史上所记录的还要多。但是,随着人工思维领域不断的发展,我们正在使用的这一工具从某些方面来看甚至比原子能更强大、更危险。


量子计算可能会消除人工智能目前发展水平和“奇点”(即未来某一时刻人工智能产生了自我意识)之间可预计的任何差距。倘若落入坏人之手,量子计算可能会被用于基因篡改,制造超级战士或超级疾病。


因此,我们需要继续全力推动量子计算研究,从量子计算的独特优势中获益的同时也能认识到这些危险。运用好这把双刃剑,继续推进科技发展,为全人类的未来造福。

希望有朝一日可以实现这个目标!

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