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新科技快速指南系列之量子计算--历史、现在与未来

2020-07-13 08:53| 发布者: J水生活| 查看: 461| 评论: 293

新科技快速指南系列之量子计算--历史、现在与未来
新科技快速指南系列之量子计算--历史、现在与未来

当电脑变更小或者变更快时,就会发生下一个大事件。量子计算的出现,是为了追求技术史上最大的性能提升。基本理念是透过亚原子尺度的反直觉物理现象,来打破一些限制现有电脑计算速度的障碍。

就算科技领域成功实现了量子飞跃,你也不会有一台量子计算设备可以放在口袋里。还不用开始为购买 iPhone Q 存钱。但是,我们可以看到它在推动许多科学和技术领域的显着进步上有很大作用。

比如说电动车用的长效电池,或者重塑产业技术或实现新医疗的化学进步。量子电脑不可能在任何事情上都比传统电脑做的更好更快,但是在一些棘手的问题上,它们有优势,可以实现惊人的进步。

问从事量子计算研究的人,这些梦幻般的应用什幺时候才会成为现实,是没有用的!某种意义上来说,也是不礼貌的。唯一可以肯定的是,他们还需要很多年的时间。量子计算硬体原型仍处于萌芽阶段。但是,强大的——对于科技公司来说,能给其增加利润的——量子物理驱动的电脑最近开始变得不那幺遥不可及了。

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IBM 的量子计算晶片的冷却和结构。

这是因为 Google、IBM 和其他公司已经决定,是时候对这一技术进行大量投资了,这反过来又帮助量子计算在金融和航空等领域的大公司的商业战略上获得了一个突破点。

根据 CB Insights 的数据,2017 年,风险投资者向全球从事量子计算硬体或软体的新创公司一共投入了 2.41 亿美元。这是前一年的 3 倍。

就像支持量子计算那些令人困惑的数学原理一样,围绕这项仍然不切实际的技术建立的一些期望也会让你不知所以然。如果你现在在飞往旧金山的飞机上,瞇着眼睛向外看,你会看到一片量子炒作的阴霾在硅谷瀰漫着。但是量子计算的巨大潜力是不可否认的,它所需要的硬体正在快速发展。如果想要去理解量子计算,现在正是一个完美的时刻。

量子计算的历史

量子计算的历史始于 20 世纪初,当时物理学家开始意识到他们已经失去了对现实的掌控。

首先,对亚原子世界公认的解释被证明是不完整的。例如,电子和其他粒子不仅仅像牛顿撞球那样巧妙地运转。有时它们表现得像波浪一样。量子力学的出现,就是为了解释这种奇怪的现象,但也提出了一些令人不安的问题。比如电子的位置,在被观察到之前是不存在的。

加州理工学院的理查德·费曼在因其对量子理论的贡献获得诺贝尔奖之前的一年评论说:

「没有人理解量子力学。」它与我们体验世界的方式是不相容的。但是有些人很好地理解了它,重新定义了我们对宇宙的理解。 1980 年代,他们中的一些人——包括费曼——开始琢磨像亚原子粒子「你看不到我,我就不存在」这样的量子现像是否可以用来处理资讯。

80 年代和 90 年代形成的量子电脑的基本理论或蓝图,仍然指导着 Google 和其他从事这项技术的人。

在我们陷入量子计算 0.101 的黑暗浅滩之前,我们应该更新我们对普通旧电脑的理解。众所皆知,智慧手錶、iPhone 和世界上最快的超级电脑基本上都在做同样的事情--它们通过将讯息编码为数位 bit来执行计算。例如,电脑可能会将电路中的电压打开和关闭,以表示 1 和 0。

量子电脑也使用 bit 进行计算。毕竟,我们希望它们能够融入我们现有的数据和电脑。但是量子 bit 具有独特而强大的特性,使得一组量子 bit 比同等数量的传统 bit 做得事情要更多。

量子 bit 可以透过不同的方式来建构,但是它们都是利用电子控制的量子特性来代表数字 0 和 1 。

最受欢迎的例子——至少在人类的一部分中——包括超导电路,或者悬浮在电磁场中的单个原子。量子计算的魔力在于,这种安排让量子 bit 做的不仅仅是在 0 和 1 之间翻转。如果正确运用它们,它们就可以翻转成一种神秘的模式,被称为「叠加」。

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环状电缆将晶片连接到其控制系统的结构底部。

你可能听说过,叠加的量子 bit 同时是 0 和 1 。这并不完全正确,也不完全错误。但重要的是要知道,在这段解释中「简化的、大胆的」,我们称之为完美的世界中,叠加的数学描述了当一个量子 bit 被读出时发现 0 或 1 的机率——一个将它从量子叠加中崩溃为经典现实的操作。

量子电脑可以使用叠加的量子 bit 集合,来进行不同的可能路径的计算。如果做得正确,指向不正确路径的指针会被取消,当量子 bit 被读出为 0 和 1 时,会留下正确的答案。

对于传统电脑来说非常耗时的一些问题,量子电脑能够以少得多的步骤找到解决方案。一种着名的量子搜寻演算法 Grover,只需 1 万次运算,就可以在一本拥有 1 亿个名字的电话簿中找到你。

一个经典的搜寻算法平均需要 5000 万次运算,才能快速浏览所有列表并找到你。对于 Grover 和其他一些量子演算法来说,初始问题或者电话簿越大,传统电脑就越容易被遗留在数字尘埃中。

我们今天没有有用的量子电脑的原因,是量子 bit 非常有限。它们必须控制的量子效应非常微妙,杂散热量或噪音都可能会翻转 0 和 1 ,或者消除一个重要的叠加。

量子 bit 必须被小心地保护起来,并在非常冷的温度下工作,有时只有绝对零度以上的几分之一。大多数量子计算计划都依赖于使用量子处理器,相当大的一部分能量来纠正其自身的错误,这些错误是由量子 bit 的误射引起的。

最近对量子计算的乐观,源于在减少量子 bit 碎片方面的进展。这让研究人员有信心开始将这些设备捆绑成更大的组。创业公司 Rigetti Computing 最近宣布,它已经用 128 个量子 bit 的铝电路製造了一个处理器,这些铝电路经过超级冷却使其超导。

Google 和 IBM 已经宣布他们各自拥有 72 和 50 量子 bit 的晶片。这仍然远远低于使用量子电脑进行实际工作所需的数量——可能至少需要数千台。但就在 2016 年,这些公司最好的晶片只有一位数的量子 bit 。在对电脑科学家产生强大诱惑的 30 年后,实用的量子计算可能并不是那幺接近现实,但它已经开始变得更接近了。

量子计算的未来

一些大公司和政府已经开始将量子计算研究视为一场竞赛——也许更适当地来说,这是一场距离终点线的距离和到达终点的奖励都未知的竞赛。

Google、IBM、Intel 和微软都已经扩大了他们在这项技术上的团队,越来越多的新创公司如 Rigetti 都紧追不捨。中国和欧盟各自启动了价值数十亿美元的新计画来刺激量子研发。

在美国, 川普在白宫成立了一个新的委员会来协调政府在量子资讯科学方面的工作。2018 年向美国国会提交了几项议案,提议为量子研究提供新的资金,总额超过 13 亿美元。目前还不清楚量子计算的第一批杀手级应用是什幺,也不清楚它们何时出现。但是有一种感觉,不管是谁首先使这些机器有实际效用,都会获得巨大的经济和国家安全优势。

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铜结构能够很好地传导热量,并将仪器与其冷却系统连接起来。

然而,回到现实世界,量子处理器还太简单了,不能进行实际工作。Google 正在努力进行一场名为「量子霸权」的演示,其中量子处理器将在现有超级电脑之外解决一个精心设计的数学问题。这将是一个历史性的科学里程碑,但并不能证明量子计算已经能处理好真正的工作。

随着量子电脑原型越来越大,它们的第一个实际用途可能是化学模拟。分子和原子的电脑模型对于寻找新药或新材料至关重要。然而,传统的电脑无法準确模拟化学反应过程中原子和电子的行为。为什幺?因为这种行为是由量子力学驱动的,量子力学对于传统机器来说太複杂了。

戴姆勒和大众汽车都已经开始研究量子计算作为改善电动汽车电池化学性能的方法。微软表示,其他用途可能包括设计新的催化剂,降低工业过程的耗能,甚至从大气中提取二氧化碳来缓解气候变化。

量子电脑也是破解密码的自然选择。自 90 年代以来,我们就知道它们可以快速通过加密的数学基础来保护网路银行和购物等。量子处理器需要更先进才能做到这一点,但是政府和公司正在认真对待这一威胁。国家标準和技术研究所正在评估新的加密系统,这种系统可以在网际网路上进行量子验证。

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当冷却到操作温度时,整个零件就隐藏在这个白色的绝缘外壳里。

Google 等科技公司也在押注量子电脑可以让人工智慧更强大的趋势。这比化学或代码破译应用更进一步,但具体的细节并不太清楚,但是研究人员争辩说,当他们和越来越大的量子处理器一起工作的时候,他们可以捕捉到更多的细节。

一个期望是,量子电脑可以帮助机器学习演算法使用比目前用于训练人工智慧系统的数百万个例子少得多的例子来完成複杂的任务。

儘管量子计算时代何时真正开始,还存在着所有类似叠加的不确定性,但大型科技公司认为,相关工程师现在需要做好準备。Google 、IBM 和微软都发布了开源工具来帮助工程师熟悉量子硬体的编写程序。IBM 甚至已经开始提供对其一些量子处理器的线上体验,所以任何人都可以尝试使用它们。长期来看,大型计算公司可以通过向公司收取费用来存取装有过冷量子处理器的资料中心来赚钱。

对我们其他人来说有什幺好处?儘管有一些明显的缺点,但传统电脑已经让生活变得更加安全、丰富和方便——我们中的许多人离一个小猫影片的时间距离从来不会超过五秒钟。量子电脑时代应该有同样广泛的影响,但这还是未知的。

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