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量子技术的快速发展对未来意味着什么?

文章作者:admin 上传时间:2020-06-04

量子计算。这个词在科幻小说和大众媒体中很常见,和“量子纠缠”、“量子隐形传态”一样。但它到底是什么?

量子计算是非常非常线性代数的——因此,对于日常的技术爱好者来说,没有太多的资源。本文将以数学为重点,为量子计算提供一种现实的方法,不仅关注理论,还关注硬件和现实世界的实现,以及对所有人的未来意义。

要理解量子位是什么,首先需要理解位是什么。你的计算机以比特为单位运行,比特可以是0,也可以是1。位能够表示大量的数据——计算机运行的所有程序都存储在非常非常长的位串中。比特在物理上是用晶体管来表示的,其中通过栅极的电子表示1,不通过栅极的电子表示0。计算机芯片中包含了数万亿的超小型晶体管(信息是由电子表示的,这就是计算机芯片不能变得更小的原因)。

量子位元是完全不同的,因为它们不局限于0或1的状态,它们可以介于0或1之间。这种现象被称为叠加,只存在于量子。量子位可以是任何表现出量子行为的东西,比如光子。

一个处于叠加状态的量子位,当被测量时,会变成两个确定的状态(0和1)中的一个,它落入0或落入1的概率是由它的叠加所决定的。如果量子位处于相等的叠加状态,则一半在状态0,一半在状态1。因此,当被测量时,量子位元会以50%的机率落入状态0,以50%的机率落入状态1。如果量子位处于,比如说,75%的状态0和25%的状态1,当测量100次时,量子位将进入状态0大约75次,状态1大约25次。

为了理解叠加,我们必须把状态看作波,而不是相互排斥的类。想象两种音乐形式,我们称之为音乐A和音乐B。你可以用100%音量播放音乐A,也可以用100%音量播放音乐B,或者你可以同时用50%音量播放两种音乐。

因为量子位元在被测量时,会变成两种确定状态中的一种,所以不可能测量一个量子位元的真实概率状态。然而,它是可能的近似值。如果一个量子位在0中占25%,在1中占75%,那么通过测量它1000次——比如测量0的结果是239次,测量1的结果是761次——量子物理学家可以近似出量子位所处的状态。关键字是近似。

叠加是一种真实存在的现象——著名的双缝实验表明,某些量子,如电子或光子,处于波态,当它们通过两个狭缝时,会在屏幕上显示出干涉图样。

在硬件方面,构建量子位的主要挑战是它们的概率性质(它们不是确定性的),这意味着它们的状态可以很容易地根据外力改变。量子位元之所以难以维持,正是因为它们如此强大——它们的许多可能状态很难控制超过几秒钟。将量子门应用于执行操作可能经常会由于意外错误地处理量子位而导致门错误。量子位元可以是任何东西,从光子到电子再到某些分子,只要它们表现出量子行为即可。

一个处于00状态的2量子位系统的第一个量子位处于0状态,第二个量子位处于0状态。状态10的2量子位系统的第一个量子位在状态1,第二个在状态0。

由于叠加,2-量子位系统不仅仅局限于确定性(0或1)状态——它们可以处于叠加状态。一个两量子位系统在相同的叠加状态下是四分之一在00状态,四分之一在01状态,四分之一在10状态,四分之一在11状态。这意味着当系统被测量时,它有相同的机会降落在四个确定的2-量子位状态之一。

纠缠是一个常用的流行词,它令人困惑。阿尔伯特·爱因斯坦把它称为“鬼魅般的远距离作用”,因为人们可以把它解释为违反了他的狭义相对论。

当两个纠缠的量子位元A和B处于任意叠加状态时,当鲍勃测量量子位元A处于状态1时,即使不测量量子位元B, 鲍勃也立即知道处它于状态1。当鲍勃测量B时,它处于状态1。如果Bob测量量子位A处于0状态,那么量子位B也将处于0状态。更令人惊奇的是,当A和B相距数万亿光年时,这种现象仍然会发生——距离不是纠缠的一个因素。

这看起来像是巫术,但它已经被证实是真的——纠缠是真实发生的事情。然而,当我们观察它的量子位系统时,纠缠就不那么令人困惑了。如果一个包含量子位元a和B的双量子位元系统处于纠缠态,它们的状态可能是一半在00,一半在11。这样,无论系统测量到什么,两个量子位元总是相同的。一个纠缠系统也可以是一半在01,一半在10,其中两种状态总是相对的。

状态不是00就是11——两个量子位永远是一样的。爱因斯坦和其他物理学家在纠缠中发现了错误,因为它似乎违反了爱因斯坦的狭义相对论,该理论认为,没有任何物体的速度可以超过光速。如果爱丽斯有一个量子比特A,鲍勃有一个量子比特B(两者都是纠缠在一起的),并且鲍勃走了数十亿光年远,那么爱丽斯的量子比特的测量结果就和鲍勃的完全一样,所以对爱丽斯的量子比特的任何改变都会影响鲍勃的量子比特的状态。一些人认为量子位元“同意”事先选择的状态,但这似乎不符合概率量子位元的随机性。没有人真正知道,因为不可能找到精确的量子比特的概率状态,因为测量一个量子比特会迫使它进入两个确定性状态之一。这个问题仍在争论中。

在一些计算问题上,比如数据库搜索和因式分解(我们很快就会讨论到,这可能会破坏你的互联网加密),量子位元的速度比普通位元要快得多。

重要的是要认识到量子位元可以比位元容纳更多的信息。一个比特所包含的信息量与一个量子位相同——它们都只能包含一个值。然而,必须使用4位原来储存与两个量子位元相同数量的资讯。一个两量子位系统在相同的叠加状态下可以保存四种状态的值,而在传统的计算机上,至少需要4位才能保存这些值。8位需要存储与3个量子位相同数量的信息,因为3个量子位系统可以存储8种状态——000、001、010、011、100、101、110和111。这种模式仍在继续。

下图直观地展示了量子位元的计算能力。x轴表示用来容纳一定数量信息的量子位的数量。蓝线的y表示需要容纳与量子位数量(x轴)相同数量的信息的位的数量。红线的y表示需要容纳与x轴上的量子位相同数量信息的量子位的数量。(y=x)

想象一下量子计算可以提供的指数级加速!一个千兆字节(8E+09位)的信息可以用log(8E+09)/log(2) = 33(从32.9位四舍五入)量子位来表示。

量子计算机也擅长分解数字——这就引出了RSA加密。保证媒体和其他网站安全的安全协议被称为RSA加密。它依赖于这样一个事实:在当前的计算资源中,分解一个只有一个解的30位数字m需要非常、非常长的时间——即p乘以q,其中p和q都是大素数。然而,m除以p或q在计算上要容易得多,而且由于m除以q会返回p,反之亦然,因此它提供了一个快速的密钥验证系统。

一种被称为Shor算法的量子算法在分解数字时显示出指数级的加速,有一天它可能会打破RSA加密。但是不要相信这些炒作——在写这篇文章的时候,量子计算机所能分解的最大的数字是21(3和7)。量子计算机分解30位数字甚至10位数字的硬件还没有开发出来。即使有一天量子计算机真的打破了RSA加密,一种新的安全协议BB84依赖于量子特性被证明是安全的量子计算机。

量子计算虽然发展非常迅速,但仍处于初级阶段,研究只能由谷歌、微软和IBM这样的大公司半竞争性地进行。许多用于加速量子计算的硬件目前还无法使用。量子未来有几个障碍,其中一个主要障碍是解决门错误和保持量子比特状态的完整性。

然而,考虑到过去几年发生的大量创新,在我们的有生之年,量子计算取得巨大进步似乎是不可避免的。此外,复杂性理论表明,在一些情况下,经典计算机的性能比量子计算机更好。IBM量子计算机开发人员表示,量子计算可能永远不会完全消除经典计算机。相反,在未来,我们可能会看到一种混合芯片,它在某些任务上依赖于量子晶体管,而在其他任务上依赖于经典晶体管,这取决于哪一个更合适。