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比最强超级计算机还能算 量子计算掀起全世界研究热潮

导读: 量子物理学听起来玄而又玄。在微观领域,粒子所呈现出的异于经典理论的量子现象至今仍困扰着物理学家。与此同时,各个领域的科学家们也正在合作,尝试着利用量子世界中的一些特点建造出能力远超电子计算机的量子计算机。

比最强超级计算机还能算 量子计算掀起全世界研究热潮

量子物理学听起来玄而又玄。在微观领域,粒子所呈现出的异于经典理论的量子现象至今仍困扰着物理学家。与此同时,各个领域的科学家们也正在合作,尝试着利用量子世界中的一些特点建造出能力远超电子计算机的量子计算机。人类对于量子计算的研究起步较晚,想要取得任何进展更是不易,需要在多个领域之间相互配合进行系统工程研究,但量子计算目前所展现的潜力已经使这个领域的研究成为人类科技发展的焦点之一。

为什么全世界都会研究量子计算?

电子计算机早已成为人们日常生活的必备电器。在各种各样的功能之下,电子计算机是通过由半导体材料制成的各种逻辑器件作为最基础的计算单元,现实世界中的一切信息都被转换为电子计算机中的“0”和“1”两种信号进行存储和运算。但树可以长高,却终不能抵天,研究者们正在榨取半导体材料最后的潜力,电子计算机的发展正面临各种瓶颈。

那么,人类是否可能制造出一种能力远超电子计算机的机器?科学家们发现,在微观世界中物质的存在方式和运动规律都与人们所熟悉的经典世界完全不同,其中最奇特也最令人无法理解的,就是微观粒子的“量子态”(superposition),即一个微观粒子可以同时存在于多个不同的位置或者同时具有“0”和“1”两种状态,另外微观粒子之间可能还会形成“量子纠缠”(quantumentanglement),两个无论相隔多远的粒子的状态都会随时相互影响。

受到量子特性的启发,1994年,麻省理工学院的科学家彼得·秀尔(Peter Shor)提出了著名的“秀尔算法”(Shor’s algorithm),解决了建造量子计算机的理论问题,从此引发了全世界量子计算的研究热潮。

量子计算机与经典计算机黑盒

·量子计算的研究突破:秀尔算法的实现

相比于电子计算机的发展历程,量子计算机的研究进展并不算顺利,原因就在于微观粒子的量子态非常难以维持和测量。想要利用微观粒子的量子态和相互纠缠现象实现“量子比特”,可以同时具有“0”和“1”两个数值,进而制造出“量子逻辑门”,这非常不容易。因为,研究者们需要把量子计算机的工作环境,始终维持在接近绝对零度的低温状态。

比最强超级计算机还能算 量子计算掀起全世界研究热潮

量子计算机内部

在2001年,IBM公司的一个研究小组首先通过实验实现了秀尔算法,各家公司和实验室紧随其后,用各种方式实现更复杂的秀尔算法。

量子计算的研究的一切都需要由最底端从零开始,想要有所发展更是需要常年坚持不懈的坚持努力。一方面,人类对于量子计算机的前景寄予厚望——因为可以同时拥有多个状态,在理论上,量子计算机的计算能力随着量子位数量的提升将会呈指数形式上升,量子位数越高,计算能力越强,误差也越小;另一方面,因为量子态极难维持和探测,至今为止人类开发的大多数量子计算机都还处于起步阶段,与实际应用还有一段距离。

但有一点毋庸置疑,量子计算机强大的计算能力一旦投入实际应用,人类众多的科研领域都有可能在短时间内取得巨大的突破,同时还会刺激诸如纳米加工技术和软件系统等一系列相关产业的发展。

不过,IBM公司进行量子计算研究的科学家杰瑞·周(Jerry Chow)介绍,因为其超强的性能远超日常需求,并且需要维持在极低的温度下进行工作,量子计算机在未来或许不会像电子计算机一样在大众中间普及和流行,但用户可以通过使用智能终端来使用量子计算机提供的云服务。

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