計世網

用量子計算機探索自然
作者:張勝譽 | 來源:人民日報
2020-02-13
谷歌公司則發表論文稱,成功讓量子系統花費約200秒完成了傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務。量子計算機的發展引發人們越來越多的關注。

 

前段時間,美國國際商用機器公司(IBM)推出了53量子比特的量子計算機,并計劃向外部用戶開放使用。谷歌公司則發表論文稱,成功讓量子系統花費約200秒完成了傳統超級計算機要1萬年才能完成的任務。量子計算機的發展引發人們越來越多的關注。

與主宰宏觀世界的經典力學不同,微觀世界遵循量子力學原理。微觀粒子有一些有趣的現象,第一個現象是疊加態。在宏觀世界中一個物體在某一個時刻只能處于一種狀態,比如一個人在一個時刻只能處于一個地方。但在微觀世界中,一個粒子可以同時處于兩種不同的狀態中,好比一個人在同一個時刻可以既在北京又在巴黎。這種疊加態在宏觀世界不可想象,但在微觀世界里,科學家反復觀察到了同一個粒子處于兩種截然不同狀態中的現象。更有趣的是,如果對這個粒子進行操作,會對它同時所處的兩個狀態都有影響,好比發出“舉手”的指令時,在北京的這個人會舉手,同時在巴黎的他也會舉手。

第二個是觀察和測量。在微觀世界,對同一物體同一狀態用相同方法測量,每次測量的結果可能都會不一樣,也就是說結果不確定。更麻煩的是,測量之后被觀測物的狀態會發生改變。

第三個是量子糾纏,是發生在兩個或更多個物體上的一種特殊狀態,在這種狀態下,多個物體彼此“分不開”,一個變化另一個就變化。比如,微觀疊加態下,一群人既在北京又在巴黎開會,而且如果測量了其中一個人的位置是在北京,那么所有人都在北京了;如果測量的那個人的位置是在巴黎,那么所有人又都在巴黎了。在微觀世界,物質呈現的性質與人們日常生活的直覺完全不一樣。這些在微觀世界中的新奇現象被精確的實驗反復驗證。

我們接著再來看看計算。計算可以理解為,有一個輸入,也有一個指定的輸出,中間環節是計算的過程。不同的計算問題難度不一樣,比如兩個數字相乘并不難。反過來,把一個大的數字分解成兩個數字,難度就大大增加了。人們能想出來的大數分解算法都有很高的復雜度,以至于人們認為也許大數分解這個計算問題本質上就很難。計算困難成為了現代密碼學的基礎,廣泛應用于互聯網和電子商務等領域。1994年,貝爾實驗室的科學家肖爾發現,使用量子計算機可以讓大數分解變得很快。經典計算機很久都算不出來的數字,量子計算機很快就能解決。數字越長,這種優勢就越明顯。這將對現有的密碼學造成很大影響。

現在已經發展出了很多量子算法。大體而言,量子算法利用了疊加態帶來的天然的并行計算能力,利用不同的路徑可以一起工作的優勢,同時克服量子計算只能進行旋轉變換、測量的不確定性和破壞性等困難。需要指出的是,在一些計算問題上,量子計算并沒有優勢,或者優勢非常有限。所以,對哪些計算問題有優勢,優勢有多大,如何利用這個優勢,是量子計算的根本性問題。

量子計算被視為加速人類計算能力的重要入口。量子算法在數論、線性代數、組合、優化、量子系統模擬、化學等方面展現出了越來越多的優勢。另一方面,量子算法需要在量子計算機上運行。近20年,量子計算機在多個方向上均取得了穩步的進展。這些量子科學理論和軟硬件領域的突破進展,會給云計算、人工智能、藥物、材料研發等多個關鍵領域帶來顛覆性革新。比如,用更快的人工智能算法,以及通過云的方式提供更快的計算,可以加速藥物分子的研發和新材料的設計。量子計算會大大改變人類認識自然尤其是微觀世界的方式,產生深遠的影響。

(作者為騰訊量子實驗室負責人  張勝譽)  

責任編輯:焦旭

天津11选5开奖结果查询 赤赢配资 私募基金配资参与上市公司定增 股票配资是什么意思合法吗 中国嘉陵股票 众诚速配 上证指数000001新浪财经网查询 股票融资公司有哪些 俄罗斯股票指数 钢铁板块股票分析 盈富配资 希腊股票指数 股票行情实时查询006507 壹方达配资 顺丰控股股票分析报告 上海有哪些期货配资 海虹控股股吧