量子物理有什么用?或许是下一代计算机

量子物理有什么用?或许是下一代计算机

2013 年,《彗星来的那一夜》在奥斯汀奇幻电影节上大受好评。在一个诡异阴森的夜晚,年轻漂亮的舞者艾米丽和她的同伴们碰到了无数个同样有他们存在的平行世界。推理、争吵、猜疑甚至彼此之间大打出手,直到光明前来、彗星解体、世界与世界之间的联系被切断,艾米丽走过无数世界最终选择的「完美」世界却出现了无法挽回的裂痕。

在量子物理看来,多世界的诠释有可能是正确的,打开装着猫的盒子的那一刹那,世界已经一分为二。

《彗星来的那一夜》的英文名似乎能更好诠释主旨——「Coherence」(相关性),晦涩的量子物理不再是一只半死不死的猫,不同世界中人们的行为成了更好的标志。可除了烧脑的思维游戏之外,量子物理对于我们的现实生活又有什么作用?

实验台.jpg费米混合实验台,至于实验结果需要到电脑上查看

就在上周,极客公园有幸参观中科大位于浦东的上海研究所,静谧的园区中分布着光晶格中的费米混合、多光子纠缠、超冷原子量子模拟、超冷极性分子等多个名字就已经十分复杂的实验室。与想象中不同的是,大概两平米的费米混合实验台上安装得最多的实验用具是透镜,将光通过激光冷冻到接近绝对零度,科学家们就能研究和操纵粒子为己所用。

最接近实现的目标之一,就是利用量子计算,制造比超级计算机还要快上几万倍的计算设备——「超级计算机时过去 30 年以来的技术,量子计算机是后 30 年的技术。」

量子计算机是如何工作的?

量子计算机(quantum computer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息,运行的是量子算法时,它就是量子计算机。

量子计算机概念的提出者,是曾参与过「曼哈顿计划」的物理学家费曼。模拟量子现象时由于庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大,一个完好的模拟需要运算时间长到无法完成。「如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象来减少运算时间呢?」量子计算机的概念因此而诞生。

PT131119000155GcIf.jpg在物理学中常用到量子的概念,指一个不可分割的基本个体。

与我们正在使用的「经典计算机」不同,物理层面上量子计算机并不基于普通的晶体管,而是使用自旋方向受控的粒子(比如质子核磁共振)或者偏振方向受控的光子(学校实验大多用这个)等作为载体。从计算原理上看,量子计算机的输入态既可以是离散的本征态(如传统的计算机一样),也可以是叠加态(几种不同状态的几率叠加),对信息的操作从传统的「和」,「或」,「与」等逻辑运算扩展到任何幺正变换,输出也可以是叠加态或某个本征态。所以量子计算机会更加灵活,并能实现并行计算。

因此比起使用「1」和「0」的二进制「比特」的「经典计算机」,在「量子比特」层面上的量子计算机可以计算 0 和 1 之间的数值。一串原子排列在一个磁场中以相同的方式旋转,一束激光的照射可以活跃这组原子,迅速翻转其中一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异,就完成了一次复杂的量子「计算」,涉及了许多自旋的快速移动。

经典计算机中的 2 位寄存器在某一时间仅能存储 4 个二进制数(00、01、10、11)中的一个,而量子计算机中的 2 位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四个数,因为每一个量子比特可表示两个值。如果有更多量子比特的话,计算能力就能呈指数级提高。

如果能操纵 45 个光子,量子计算机「在处理波色取样问题上超越世界超级计算机排名第一的天河二号的计算能力。」

量子计算机有什么用?

利用量子计算机超快的计算能力,就能揭示复杂物理系统的规律。在密码分析、气象预报、药物设计等大规模计算需求和揭示高温超导、量子霍尔效应、人工固氮等新能源、新材料机制的问题上,量子计算机都能发挥自己独特的作用。

如果利用万亿次经典计算机分解 300 位大数需要 150000 年,利用万亿次量子计算机只需要 1 秒钟。

D-Wave 是目前专注于量子计算机的公司之一。2007 年,加拿大公司 D-Wave 展示了全球首台量子计算机「Orion(猎户座)」,利用了量子退火效应来实现量子计算。2011 年 5 月 11 日, D-Wave 发布了一款号称「全球第一款商用型量子计算机」的计算设备「D-Wave One」,NASA 和 Google 分别以约一千万美元购置了一台 512 位 qubit 的 D-Wave 量子计算机。但 D-Wave 是否真的实现了量子计算,还没有得到学术界广泛认同。

d-wave_exterior.jpgD-Wave 量子计算机

谷歌、IBM、NSA(美国国家安全局)等也在这一领域花费了不少精力。从 2013 年开始,Google 的量子人工智能实验室就一直与美国国家航空航天局和大学空间研究协会(Universities Space Research Association)合作从事量子计算研究,2014 年聘请了加州大学桑塔芭芭拉分校 (UCSB) 的 John Martinis 和他的团队(该领域最多产的研究团队之一)加入量子人工智能实验室。IBM 未来 5 年也将在量子计算、神经网络等领域投资 30 亿美元。

我国也有企业开始关注量子计算

2013 年 6 月 8 日,由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首次成功实现了用量子计算机求解线性方程组的实验。处于量子信息技术国际先进水平的中科院,过去十余年间研究成果多次入选美国物理学会、欧洲物理学会等机构评选的年度进展。

在潘建伟看来,计算技术的未来方向,也是唯一的方向,需求指数增长,也只有量子计算能够满足。但「科技和科技成果之间很难转化,需要走的技术研发之路得不到关注,是技术死亡之谷。」

诗歌.jpg在中科院上海研究所的实验室中,贴着这样的座右铭

7 月 30 日「中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室」正式成立,一方面阿里巴巴为研究所提供资金支持,另一方面阿里云在经典计算算法、架构和云计算方面的技术优势,科技成果商用化等方面也会为实验室提供方向。

不仅在计算能力上为阿里云提供技术储备,实验室研究的量子保密通信技术,将在电子商务和数据中心安全方面寻找现实应用。

实验室的 5 年目标,是操纵 25 个光子,在处理波色取样问题上超越商用 CPU 的能力。10 年目标是操纵 45 个光子,在处理波色取样问题上超越世界超级计算机排名第一的天河二号的计算能力。

0.jpg中国首台千万亿次超级计算机天河一号,需要的是大量芯片堆积提高运算能力

这些目标真的会实现么?

潘建伟表示 5 年目标有 90%多的几率可以实现,而 10 年目标定制得相对保守,实现 50 个比特的操纵可能会更快一些,「光途径、超导途径、超能原子途径三条途径我们都在走,超能原子实现的可能性比较大。」

忽略复杂的实现过程,你可以将量子计算机理解为计算能力成倍叠加、不再需要硬件芯片的大量堆砌计算机,已经有不少科幻作品将主角从「芯片」机器人更换为「量子计算机机器人」。但目前的量子计算机大都为专用方向而设计,在特定方向能够显示出超强的能力。

假设人们把这种量子计算机运用到监控领域,它可以瞬间在数据库中扫描 60 亿地球人的脸,并实时辨别出一个人的身份。

庞大的计算能力真的能催生智慧么?以量子计算机目前发展情况思考尚为时过早,操纵更多量子比特拥有更多难度、纠错也是其中不可忽视的重要一环。但就像在马车时代发明火车,何尝不是值得努力的事呢?


头图为《彗星来的那一夜》海报截图

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