中国制造全球首台量子计算机!但关于量子计算机你知道多少?

来源:网络整理 作者:2017年05月18日 18:49

  继世界首颗量子科学实验卫星发射升空、量子通信京沪干线建成、打破自己保持的八光子纠缠纪录、并实现十光子纠缠之后,量子学领域又有一个惊喜。

  中国科学技术大学潘建伟教授团队宣布了他们在光子和超导体系的量子计算机研究方面取得的重要进展。那就是:在光子体系,研究团队在去年首次实现十光子纠缠操作的基础上,构建了用于玻色取样的多光子可编程量子计算机原型机,首次演示了超越早期经典计算机(ENIAC、TRADIC)的量子计算能力。

  中国制造全球首台量子计算机!但关于量子计算机你知道多少?

  由单光子源、光开关、超低损耗光量子线路、单光子探测器组成的量子模拟机,图片来自相关论文《High-efficiency mulTIphoton boson sampling》

  惊喜之余,可能大多数小伙伴要问:什么是量子计算机呢?为什么量子计算机的研发成功标志着一个新时代的开启呢?下面为大家一一解答。

  中国制造全球首台量子计算机!但关于量子计算机你知道多少?

  光量子计算机原型机

  简单地说,量子计算机就是基于量子力学基本原理的计算机,和常规计算机的区别主要在于其基本信息单元不是比特(bit)而是量子比特(qubit)。之前我们用0和1表示两个状态,而量子计算机的两个状态用0和1的相应量子叠加态来表示,单个量子CPU具有强大的并行处理数据的能力,其运算能力随CPU的个数指数增加!!!

  举个例子,现在我们人手一台的笔记本电脑,计算速度已经很快了,但是当多任务并行的时候,比如快速打开杀毒软件、浏览器、办公软件、音视频软件,就会经常卡顿 ,之所以卡顿,是受传统计算机的计算方式所限,即串行计算。而量子计算是并行计算,即可同时处理多任务进程而互不影响。卡顿的情况就不存在了。量子计算机可用于海量数据的计算。

  再举个例子,我们现在的网络加密依赖于RSA公钥体系,即传统的计算机很难完成大数的质数分解计算,而量子计算可以把计算过程按数量级缩减,经典计算机几十亿年都不能完成的计算,量子计算机只要几分钟就可以完成了。在量子计算机面前,基于RSA公钥体系的所有的邮件、银行账户、机密文件都将被轻而易举的攻破。好在我们已经有了从物理原理上阻止窃密的量子通信,量子计算机真正研发成功之后,整个世界的加密体系必然要换一换,小伙伴们大可不必担心。

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  15可以分解为3x5, 91可以分解为7x13,一个具有232位的数字的质因数是多少呢?经典计算机依其逻辑需要进行大量的计算,几十亿年也算不完。

  更重要的是,量子计算可以在科学研究中发挥巨大作用。无论是生物化学反应过程的模拟,还是气候变化等大数据的处理,都是量子计算发挥作用的地方,而这正是经典计算机的短处。因此,量子计算机已经成为各国争相抢占的科技高地,谷歌、微软、IBM在这方面也有重金投入。

  那么量子计算机是不是即将完全取代经典计算机呢?媒体把量子计算机和经典计算机的区别比作飞机和自行车的区别,其实这样并不是很恰当。因为量子计算处理更快的原因并不是步骤时间缩短了,而是运算大大简化了。而且,只是在特定的计算中才是这样,因此,量子计算机无法完全取代经典计算机。量子计算机和经典计算机的区别更像是激光和白炽灯,我们不会用激光代替白炽灯照明,但是激光在高科技领域发挥着巨大作用。

  公众最关心的或许还是量子计算机距离实际应用还有多远? 潘建伟团队发布会之后,一向作为信息传播先(biao)行(TI)者(dang)的媒体,很快把气氛搞起来了。各个网站公众号也竞相转发传抄,一时间“中国首台量子计算机”刷屏。媒体的夸大渲染,导致内容和科学实际偏差过大,而专家往往成了被嘲讽的“背锅侠”。事实真相到底是怎样的呢?

  让我们看看论文通讯作者怎么说:

  这是第一台超越早期经典计算机ENIAC的基于单光子的量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算奠定了基础。

  ——论文通讯作者之一、中国科学技术大学教授陆朝阳

  量子计算基础研究领域有几个大家共同努力的指标性节点:第一,展示超越首台电子计算机的计算能力;第二,展示超越商用CPU的计算能力;第三,展示超越超级计算机的计算能力。我们实现的只是其中的第一步,一小步,但是是重要的一步。

  ——论文通讯作者之一、中国科学技术大学教授潘建伟

  请注意:是量子模拟机!!而且超越的是早期经典计算机ENIAC,而不是当今我们用的功能成熟的通用型计算机。量子计算机的时代还没有到来,而是走出了具有论证意义的一小步,不过,这一小步是极为关键的一步。

  潘院士的团队通过“五光子玻色采样”证明了这种可行性——即量子计算是可以超越经典计算机的,无论是经典计算机的初代原型机,还是日常笔记本,或者企业级的超级计算机,亦即证明了量子计算有其可行性和实际意义。

  中国制造全球首台量子计算机!但关于量子计算机你知道多少?

  潘建伟和其学生陆朝阳等人组成的团队实现的十光子纠缠示意图,图片来自中科大官网

  游戏宅和器件党可能要失望了,不要想着不久就可以把量子计算机搬回家玩游戏或者VR了,这一天还很遥远。真正实现量子计算超越目前的经典计算机,需要达到同时操作50个量子比特,之前谷歌、美国航天航空局、加州大学圣塔芭芭拉分校宣布实现9个超导量子比特的高精度操纵,这一纪录目前被潘建伟团队的10超导量子比特所打破。而目前潘院士的团队正在为年内实现20个光量子比特的操作而努力。

  鉴于量子计算领域竞争激烈,尤其是在最后一步,鹿死谁手尚未可知。

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