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量子计算将颠覆哪些领域?

导读: 当现代计算机芯片在经典物理领域内无法进一步提升结构性能时,可以研究探索有别于当前计算机架构的新型结构和多核芯片,或者研究量子力学规律开发量子计算。新型结构需要抛弃当前计算机所遵循的冯·诺依曼架构,而量子计算则需要改变现有半导体芯片的基本结构,利用量子叠加和量子纠缠来实现逻辑运算。

量子计算机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。现在或许还无法准确预测“量子计算机时代”何时到来,但在科学家看来,已经没有什么原理性的困难可以阻挡这种革命性、颠覆性产品的诞生。

量子计算将颠覆哪些领域?

量子计算机研制(图片来源于网络)

以半导体芯片为核心的计算机的发明成就了现代信息技术产业(硬件、软件、网络、通信等)的高速发展,深刻改变了人类的社会活动形式,甚至是国防安全和国家核心竞争力。半导体集成电路芯片几十年以来一直沿着“摩尔定律”发展,单位芯片上晶体管数目越来越多,集成度越来越高。

截止到目前,集成电路芯片制造工艺处于14&10nm技术代量产阶段,更小尺寸的技术代(7nm和5nm)处于研发阶段。在可预见的未来将达到控制电子的物理极限,当单个晶体管缩小到只能容纳一个或几个电子时,就会出现单电子晶体管(量子点),量子隧穿效应将不可避免的影响电子元器件的正常工作。尽管科研人员正在努力通过各种手段进一步延续晶体管的制程尺寸并同时开发多核芯片技术,但相关技术只能在有限范围内优化传统芯片性能,无法阻止“摩尔定律”必将被打破的历史趋势。

量子计算将颠覆哪些领域?

集成电路芯片(图片来源于网络)

当现代计算机芯片在经典物理领域内无法进一步提升结构性能时,可以研究探索有别于当前计算机架构的新型结构和多核芯片,或者研究量子力学规律开发量子计算。新型结构需要抛弃当前计算机所遵循的冯·诺依曼架构,而量子计算则需要改变现有半导体芯片的基本结构,利用量子叠加和量子纠缠来实现逻辑运算。国际半导体技术发展路线图认为多核芯片等技术只能短期延续摩尔定律,中长期必然要发展以量子物理为基础的量子计算等颠覆性、革命性新型器件来超越摩尔定律,信息的量子化趋势将不可避免。量子计算是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物,是后摩尔时代具有标志性的技术。

对于现代计算机而言,通过控制晶体管电压的高低电平,从而决定一个数据到底是“1”还是“0”,采用“1”或“0”的二进制数据模式,俗称经典比特,其在工作时将所有数据排列为一个比特序列,对其进行串行处理。而量子计算机使用的是量子比特,量子计算机能秒杀传统计算机得益于两个独特的量子效应:量子叠加和量子纠缠。量子叠加能够让一个量子比特同时具备0和1的两种状态,量子纠缠能让一个量子比特与空间上独立的其他量子比特共享自身状态,创造出一种超级叠加,实现量子并行计算,其计算能力可随着量子比特位数的增加呈指数增长。理论上,拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过目前世界上最先进的超级计算机“天河二号”,拥有300个量子比特的量子计算机就能支持比宇宙中原子数量更多的并行计算,量子计算机能够将某些经典计算机需要数万年来处理的复杂问题的运行时间缩短至几秒钟。这一特性让量子计算机拥有超强的计算能力,为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案,并可揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制,为先进材料制造和新能源开发等奠定科学基础。

量子计算将颠覆哪些领域?

量子计算机工作原理(图片来源于网络)

此外,量子计算的信息处理过程是幺正变换,幺正变换的可逆性使得量子信息处理过程中的能耗较低,能够从原理上解决现代信息处理的另一个关键技术--高能耗的问题。因此,量子计算技术是后摩尔时代的必然产物。

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