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自20世纪40年代人类开始使用计算机以来,我们的科技水平一直在以指数级增长,得益于工艺水平的提升,计算机也由庞然大物逐渐缩小,走进千家万户,变得更小更强。

人类科技会被“智子”锁死?来看量子计算机如何打破技术壁垒

但计算机部件正接近原子大小,使得计算机科技的发展即将达到物理极限,这也是人类科技进步被锁死的原因之一,而量子计算机或许可以打破这一技术壁垒,助推人类科技迈上新的台阶。在了解量子计算机之前,我们先来看一看普通计算机的工作原理。

普通计算机

芯片

计算机处理数据的核心部件是芯片。芯片由模块构成,模块包含逻辑门,晶体管则组成了逻辑门,晶体管是计算机中数据处理器的最基本单元。晶体管是一种电子开关,它可以打开或阻塞电子信息经过的通道。运行在最底层晶体管内的信息是二进制数,也就是0和1,一个二进制数代表一个比特,通过比特的组合,可以表示更复杂的信息。

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10纳米级晶体管

晶体管被组合成逻辑门,它可以做非常简单的逻辑判断。例如,如果两个晶体管输入逻辑门的电子信息都是1,以二进制来说,1加1就该进位,那么逻辑门的计算结果就为0,发送的输出信号为1。通过逻辑门的组合,可以组装成有意义的模块,比如,计算机的加法模块。一旦计算机能做加法,那么也能做乘法,这就意味着计算机能够做任何形式的数学运算。

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所有的基本运算都比一年级的数学还要简单,完全可以把计算机想象成一个在做加减乘除作业的七岁小孩。拥有足够计算能力的机器每秒可以运行数以亿计,我国的超级计算机天河二号,每秒能运行1206万亿次,当属世界上运行最快的计算机。然而,随着计算机部件变得越来越小,当达到量子层级时,量子力学的测不准原理让传统计算失去了意义。

量子隧穿

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简单来说,晶体管就是一个电子开关。电子从晶体管的一端移动到另一端,晶体管相当于一个电子通道,可以放行电子,也可以阻止电子移动。现在晶体管的典型尺寸是7纳米,大约是HIV病毒直径的1/14,比红细胞小1000倍,而原子的直径通常只有0.1纳米,相当于晶体管一次能通行70个原子。当晶体管缩小到原子尺寸级别时,由于量子力学的不确定性,电子可能会直接通过逻辑门,无视逻辑门的阻塞,这就是所谓的量子隧穿效应。

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不确定性原理

在量子力学领域,量子状态变得不可测量,这与我们习惯的可预测计算方式格格不入,就像我们无法知道1+1究竟等于几一样,这让人十分抓狂。为了解决这个问题,何不打破思维定势,用量子特性来解决量子问题呢,于是量子计算机的概念就应运而生了。在普通计算机中,比特是最小的信息单元,而在量子计算机中,量子比特成为了表示信息的基本形式。

为何如此之快

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由于量子的不确定性,量子比特即可以是1也可以是0,它可以同时表示两个数字。就像量子场中光子的偏振方向一样,处于量子状态中的光子,在未被观测之前,它可能水平偏振也可能垂直偏振,这种奇趣的现象也可称之为量子叠加。一旦你测试光子的偏振方向,比如说,让光子通过过滤器,那么光子的量子状态就塌陷了,光子必须具备一个确定的偏振方向,要么向上要么向下。

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所以只要量子没有被观测到,量子比特就处于0和1的量子叠加态中,无法预知量子究竟是1还是0。但是当确定测量量子时,它就会从不确定性转为定态。如果将4个量子比特互相组合的话,一共有2^4种不同的排列方式,可以表示16种不同的信息。既然4个量子比特叠加可以同时表示16种信息,当越来越多的量子比特集合在一起后,可表示的信息将呈指数增长,用20个量子比特就能够存储2^20个数值,一共超过100万个信息。

量子纠缠

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量子纠缠

量子比特还具有量子纠缠属性,这是量子系统的整体特征,我们无法单独描述单个量子的具体状态,当对其中一个量子进行作用时(包括测量),另一个量子会立即作出反应,无论它们相距多远。这意味着当测量一个处于纠缠态的量子时,你可以根据测量结果直接推断出另一个量子的属性。

普通计算机的逻辑门得到一组简单的输入,然后产生一个确定的输出。而量子计算机则通过量子门操纵一组量子比特叠加输入,产生另一个叠加态作为输出。量子门纠缠量子比特来使它们形成一个量子叠加体,这个叠加体内包含了运算的所有可能结果。

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这意味着,4位量子比特的叠加体只要计算一次,相当于普通计算机运行16次,而20位量子比特量子比特运算一次,则相当于普通机器运算100万次,量子计算机将使计算效率提升百万倍、千万倍甚至亿万倍,只要实现越多的量子比特叠加体,计算能力就会呈指数增长。

未来之力

虽然量子计算机暂时不会大规模生产运用,但它确实是我们下一代计算机产品。它强大的计算能力,可以带来许多实实在在的好处,其中之一是数据检索。当我们需要在数据库中查找想要的东西时,一台普通的计算机需要遍历数据库中庞大的内容,运算好几百万次。而量子计算机只需运行一次,便可完成巨量运算,大大缩短了我们等待的时间。

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量子计算的另一个好处是模拟。模拟量子世界需要大量的计算,即使是像分子这样稍微大一点的结构,也需要庞大的精确计算。如果用量子比特来模拟量子世界,情况就简单了许多,稍加计算,量子计算机便能模拟出分子的精确结构。

可以这样说,量子计算机将是人类打破技术壁垒的关键所在,未来将会引领一场科技大革命,实现人类科技的巨大进步。

原文链接:http://www.toutiao.com/a6971433701259411972

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