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用量子计算机探索自然(科技视角)

来源:本文章来源于网络    时间:2020-02-13 01:03:10   

不久前,国际商业机器公司IBM(IBM)推出了一台53位量子计算机,并计划向外部用户开放。另一方面,谷歌成功地使量子系统能够完成传统超级计算机在大约200秒钟内需要一万年才能完成的任务。量子计算机的发展引起了越来越多的关注。

与主宰宏观世界的经典力学不同,微观世界遵循量子力学原理。微观粒子中有一些有趣的现象,第一种是叠加态。在宏观世界中,一个物体在某一时刻只能处于一种状态,例如,一个人一次只能在一个地方。但在微观世界中,粒子可以同时处于两个不同的状态,就像一个人同时在北京和巴黎一样。这种叠加状态在宏观世界中是不可想象的,但在微观世界中,科学家们反复观察到同一粒子处于两种非常不同的状态的现象。更有趣的是,如果粒子被作用,它将同时对两个州产生影响,例如当发出举起手命令时,北京的男子将举起手,而在巴黎,他将举起手。

第二种是观察和测量。在微观世界中,每种测量的结果可能是不同的,也就是说,结果是不确定的。更麻烦的是,观测对象的状态在测量后发生变化。

第三种是量子纠缠,一种发生在两个或多个物体上的特殊状态,其中多个物体彼此不可分离,其中一个改变另一个。例如,在微观叠加状态下,一群人在北京和巴黎相遇,其中一个人在北京,那么每个人都在北京;如果被测量的人在巴黎,那么每个人都在巴黎。在微观世界中,物质的本质与人们日常生活的直觉是完全不同的。这些在微观世界中的新现象已经多次被精确的实验所证实。

让我们继续看一看计算结果。计算可以理解为有输入和指定的输出,中间环节是计算过程。不同的计算问题是困难的,例如,将两个数字相乘并不困难。反过来,将大量数字分解成两个数字的难度也大大增加。人们所能想到的大数分解算法具有很高的复杂性,因此人们认为大数分解的计算问题在本质上是非常困难的。计算困难已经成为现代密码学的基础,广泛应用于互联网和电子商务等领域。1994年,贝尔实验室的科学家Schor发现,量子计算机的使用可以使大量的数字迅速分解。量子计算机很快就能解出经典计算机很长一段时间都找不到的数字。数量越长,这种优势就越明显。这将对现有的密码学产生重大影响。

许多量子算法已经开发出来。一般情况下,量子算法利用叠加态带来的自然并行计算能力,利用不同路径可以协同工作的优点,同时克服了量子计算的旋转变换、不确定性和测量破坏等困难。应该指出的是,量子计算在某些计算问题上没有优势,或者其优势非常有限。因此,哪些计算问题具有优势,有多少优势,如何利用这一优势是量子计算的根本问题。

量子计算被认为是加速人类计算能力的重要入口。量子算法在数论、线性代数、组合优化、量子系统模拟、化学等方面显示出越来越多的优势。另一方面,量子算法需要运行在量子计算机上。在过去的20年里,量子计算机在许多方面都取得了稳步的进展。量子科学理论和软硬件的这些突破将给云计算、人工智能、药物、材料研究和开发等关键领域带来颠覆性的创新。例如,更快的人工智能算法,以及更快的云计算,可以加速药物分子的开发和新材料的设计。量子计算将极大地改变人类理解自然的方式,特别是微观世界,并产生深远的影响。

(作者是腾讯量子实验室主任)

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