量子計算機的工作原理,為何計算能力如此強大?

時間:2019-02-27

1947年,美國計算機工程師霍華德·艾肯說,只需要六個比特位的電腦將能夠滿足世界的所有計算需求。當然,霍華德沒有想到科學研究以及人們生活會產生如此大量數據,個人電腦的激增和互聯網的出現,這些都推動了我們對計算能力的需求。

量子計算機的工作原理,為何計算能力如此強大?

圖靈

如果按照摩爾定律的規定,微處理器上的晶體管數量每18個月繼續增加一倍,那麼2020年或2030年將發現微處理器上的電路在原子尺度上進行測量。而到達原子尺度則不可控,所以我們的下一步是創造量子計算機,它將利用原子和分子的力量來執行記憶和處理任務。

圖靈於20世紀30年代開發的圖靈機是一種理論設備,由無限長度的磁帶組成,分為小方塊,每個方塊可以包含符號(1或0)或留空。讀寫設備讀取這些符號和空白,從而為機器提供執行某個程序的指令。

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這聽起來很熟悉吧?

那麼,在量子圖靈機中,區別在於磁帶存在於量子狀態,讀寫頭也是如此。這意味著磁帶上的符號可以是0或1或0和1的疊加態;換句話說,符號同時是0和1(以及其間的所有點)。普通的圖靈機一次只能執行一次計算,但量子圖靈機可以同時執行多次計算(2的n次方)。

量子計算機的工作原理,為何計算能力如此強大?

今天的計算機,通過操縱存在於兩種狀態之一的位來工作:0或1。量子計算機不限於兩種狀態;它們將信息編碼為量子比特,它們可以疊加存在。量子點代表原子、離子、光子或電子以及它們各自的控制設備,它們一起工作以充當計算機的存儲器和處理器。因為量子計算機可以同時包含這些多個態,所以它有可能比當今最強大的超級計算機強大數萬倍。(例如,一個500量子位的計算機,它每一步就可以實現多達2的500次方的運算)

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舉個簡單的例子,拿我國的天河二號超級計算機來比較,一個需要天河二號運算100年的計算,換為量子計算機的話,理論上只需要0.02秒的時間。

量子比特的疊加使量子計算機具有固有的並行性。根據物理學家David Deutsch的說法,這種並行性允許量子計算機同時處理一百萬次計算。一個50量子比特位計算機將等同與傳統超級計算機的處理能力,該計算機可以以每秒數萬億次浮點運算運行。今天通用的家庭臺式計算機以每秒數十億次浮點運算的速度運行。

量子計算機的工作原理,為何計算能力如此強大?

在量子計算機的研發過程中,有兩大難題需要突破,一是算法的確定,二是要選擇合適的材料和製造條件,來製造出量子計算機。

首先在算法方面,由於量子計算機完全不同於現有的計算機系統,因此,它的整個算法都要重新研究確定,其中由貝爾實驗的美國科學家彼得.秀爾所提出的秀爾算法被廣泛採用。

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秀爾

由於量子計算機系統環境的要求極為苛刻,環境的熱輻射、電磁輻射和材料缺陷都會引起計算錯誤,因此,人們一直在尋求最適合的材料。1超導材料鈮,這個材料需要主機被液態氦冷凍到0.005K,即零下273.145攝氏度(比較成熟),2稀土金屬,例如鐠(探究中)。

計算機科學家通過使用控制設備控制在量子計算機中充當量子位的微觀粒子。

離子阱使用光學或磁場(或兩者的組合)來捕獲離子。

光阱使用光波來捕獲和控制粒子。

量子點由半導體材料製成,用於包含和操縱電子。

半導體雜質通過使用半導體材料中的"不需要的"原子來包含電子。

超導電路允許電子在非常低的溫度下幾乎沒有電阻地流動。

量子計算機的工作原理,為何計算能力如此強大?

下面,將介紹量子計算領域的一些最新進展

2001年來自IBM和斯坦福大學的科學家在量子計算機上成功演示了Shor算法。Shor算法是一種尋找數字素數因子的方法(在密碼學中起著固有的作用)。他們使用7比特的計算機來找出15的因子,計算機正確地推斷出素因子是3和5。

2005年因斯布魯克大學的量子光學和量子信息研究所宣佈他們使用離子阱創造了第一個8量子比特位的計算機。

2006年滑鐵盧和馬薩諸塞州的科學家們設計了一種12比特系統的量子控制方法。

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2007年加拿大初創公司D-Wave展示了一款商用16量子比特位的計算機(獵戶座)。計算機解決了數獨謎題和其他模式匹配問題。該公司聲稱它將在2008年之前已生產出了實用的系統。

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商業量子計算機

2015年3月 谷歌發佈了首款達到9量子位的芯片,該產品基於量子糾纏協議和線性結構進行設計,並利用名為"基偶校驗"的檢查方法,通過測量每個量子位的相互作用來追溯計算過程,從而降低因量子糾纏現象導致的計算錯誤率。

量子計算機的工作原理,為何計算能力如此強大?

但量子計算仍處於早期發展階段,許多計算機科學家認為創建實用的量子計算機所需的技術還需要數年時間,量子計算機必須有50量子比特才能解決現實問題。

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