05第二战场:量子计算机
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量子,作为十大装逼话题之一,吹牛的时候捎上几句,效果棒棒的!不但咱们民科喜欢吹,各国官科也好这口:俄罗斯量子中心测试了全球首个“量子区块链”系统;中科大量子信息重点实验室首次实现在固态系统中对三维量子纠缠态的量子存储,俗称“量子U盘”;美国罗切斯特大学研发出一种抗干扰的“量子雷达”;德国弗劳恩霍夫开发了微磁场下的“量子传感器”;荷兰将建全球首个“量子互联网”;谷歌发布全球最强通用“量子计算机”……懵了没?


鉴于全球的过热吹捧,咱们从大背景的角度泼点冷水,先重新认识一下量子力学这位幕后英雄。


19世纪末物理学差不多就被技术榨干了,所幸20世纪初诞生了相对论和量子力学。相对论直到今天几乎还是一块未开垦的处女地,人类这一百年的技术进步主要靠消化量子力学,只是消化方式比较单一:由量子力学到新材料,再由新材料到各类应用技术。


也就是说,量子力学以“新材料”的方式推动技术发展,比如半导体材料导致计算机诞生,这个内容我们放到以后再讲。现在的材料学、化学、固体物理、核物理的理论基础都是量子力学,现代科学所谓的核心科技,一多半都与材料有关。可见量子力学贡献之大。


除此之外,量子理论很少很少有直接应用,不然我们的生活就变得和修仙界差不多了,瞬移术、穿墙术、分身术满天飞。


如果说,人类挖掘自然规律是一场战争的话,理论物理便是正面战场。自20世纪中叶以来,人类奋战半个世纪,竟无寸功!引用剑桥大学物理学家尼尔·图罗克的话:“自1970年代后,所有的理论工作都还没有产生一个成功的预言。”换句话说,理论物理已经原地踏步快半个世纪了!前些年的上帝粒子和引力波验证的都是上个世纪的理论。


于是,留给工程师的就只有两条路,其一,正面硬杠相对论;其二,开辟量子力学的第二战场,即通过“非材料”的方式开发量子力学,也就是现在媒体们叫的“量子技术”。


显然后者更靠谱些,毕竟量子力学多少还是有些成熟的直接应用,比如原子钟、扫描隧道显微镜。顺便开个玩笑,如果这些东西是今天发明的,按照现在的氛围,名字一定叫“量子钟”,量子显微镜。


量子计算机、量子通信等技术的涌现,正是在量子力学领域开辟的第二战场。


下面我们就看看人类在量子力学的第二战场,进展如何?。 


\\运算原理


先说说运算原理。传统计算机的一次运算,究竟指啥?


传统计算机的10是用电流(或者说电压)实现的,有电流代表1,没电流代表0。所谓运算,本质上是把一大串10,变成另一大串10,而这个转变过程是由一堆PN结组成的电路完成的,也就是处理器。


我们平时说的32位处理器或64位处理器,指的是一次能处理的最大位数。比如32位处理器一次可以把一串3210组成的指令变成另一串10,假如你有一串32010组成的指令,那就得排着队,一组一组进入处理器,一共得处理10次。所以这效率嘛,就有点勉强。当然,这是肤浅的理解,将就一下!


有个事情别搞混了,计算机一般用“浮点运算”表示性能,和上面说的运算含义不同,就像百米冲刺是看谁先到终点,而不是看谁步子迈得大。


虽然处理器动不动每秒运算多少多少亿次,但实际上干不了多少活,因为一个很简单的操作,就要处理成堆成堆的10。举个粒子:把手机屏幕放大50倍,你就可以看到每一个像素点,其实是由三个不同颜色的小灯组成的,相当于三原色,调节不同颜色小灯的亮暗程度,这个像素点就可以呈现出不同的颜色。比如三个小灯全开到最亮,那么屏幕上看起来就是白色的,这个原理和调色板是一样的。


现在我们轻轻划一下屏幕,其实屏幕并没有移动,而是这些三色发光点疯狂地在变亮变暗而已,这数据运算量可不算小。


这个蹩脚的例子,隐约说明了处理器的窘境,它就像一台超大功率抽水机,但面对汪洋大海一般的数据,显然有些力不从心。


于是,解决思路来了。


其一,能不能别用10这种笨办法表示数据?从而把汪洋大海变成湖泊溪流,减少数据总量。这个事情嘛,反正以前的数学天才是没想到,那就留给未来的数学天才吧!


其二,能不能别用电流电压来实现10?这还真有,比如机械硬盘的10是用磁针方向实现的,不过调整磁针方向远不如控制电流电压方便,所以,从硬盘拷电影的时候,处理器还有闲工夫干其他活。


必须得找到更好的物理现象来实现10,使得处理器性能轻松飙升,一口气把汪洋大海抽干。


行文至此,主角登场。量子计算机来了。


\\量子计算原理


开山鼻祖得认识一下,量子力学的大神级人物,费曼。他老人家说,既然世界是量子的,那研究世界最终还得靠量子的方法,于是提出了量子计算机的概念!


量子通信是量子纠缠的直接应用,而量子计算机则是量子叠加态的直接应用。何谓“叠加态”?


你以为我又要说“薛定谔的猫”了吧?偏不!咱换个比喻,叠加态这玩意儿和眼神有点像,一个眼神可以既包含爱,又包含恨;再细分一些,可以包含65%的爱和35%的恨;更重要的是,爱和恨互不干扰,也就是说,看到爱的人看不到恨,看到恨的人看不到爱。


比如,我一个眼神瞄过来,有人感受到爱,有人感受到恨,于是这俩人又分别一个眼神瞟给下一个,最后得到不同的计算结果。


若是换成传统计算机,我得先和一人说我爱你,再和另一人说我恨你,得发两次信息,于是效率就低了。


回到正经的说法,传统计算机只能把数据一组一组塞到处理器里,而量子计算机可以把多组数据叠在一起,一次性塞进去。这是量子计算机最主要的优越性:并行计算。


总的来说,用叠加态描述信息,1个量子态可以同时包含2个信息,2个量子态就是4个,3个量子态就是8个,以指数增长。这是非常惊人的,传统的32位处理器一次只能塞32个信息,而10个量子态一次就可以塞1024个信息,如果增加到50个量子态,性能就达到了目前顶级超级计算机的水平,而100个量子态就达到了全世界计算能力总和的100万倍。


\\技术实现


原理有了,用什么技术去实现呢?这种叠加态信息怎么做运算呢?运算后又怎么输出呢?如果没有量子力学的功底,很难理解这个技术过程,大伙随便看看就散了,不要深究!


切记,不要自学量子力学,简称:不自量力。


量子计算机有好几个种类,咱们一个一个来。


光量子计算机


先以中科大潘老师的光量子计算机为例,毕竟在国内名气最大嘛。


光量子计算机以光子的偏振方向代表10,首先是单光子源,这家伙每次只产生一个光子,一个光子被特定晶体劈成两半就可以成为相互纠缠的2个光子,多劈几次就可以产生多个纠缠光子,然后分成多路进入光学量子网络,接着在这个网络中,对光量子进行操作,最后用单光子探测器,探测量子计算结果。


光子被劈得越多,对整个系统的要求就越高,理论上说,5个纠缠光子的运算性能就可以超过人类第一台计算机。


不过还是得强调一下,虽然咱光量子计算走在了世界前列,但现在说成量子计算机为时过早,甚至连CPU都算不上,只能说把量子计算这条路趟开了。


满足一下好奇心,如此科幻的设备,该是长成啥样?从外观上看,就是一束激光,在不同的反光镜之间跑来跑去。网上随便搜一搜很容易找到照片。


光量子计算机看着有点像当年30吨重的第一台计算机的味道,人类经过几十年的努力,把这台30吨的计算机压缩成了指甲盖那么大小的芯片。那以后有没有可能把这堆反光镜也压缩到指甲盖那么大呢?变成一个光量子芯片?这个话题太早了,还是说说第二种量子计算机吧。


超导量子计算机


用光子做载体优点很明显,缺点也很明显,光子这玩意儿转瞬即逝,没法做更细腻的操作,普遍认为可延展性不强,能做到几十个量子态就算大仙了。


超导量子系统相比于其他量子系统,有无可比拟的可操作性和可延展性,被认为更有可能实现大规模集成的量子芯片,这货可以轻松做到几百个量子比特。同样的,优点明显,缺点也明显。


超导量子计算的核心单元是一种依次由“超导体一绝缘体一超导体”三层结构组成的约瑟夫森结,就和三明治一样,电子有一定概率穿透中间的绝缘层,跳到另一层超导体上,以此代表10,但是这种电子的自由度很高,不那么听话,所以错误率贼高。


超导量子计算机是现在比较主流的量子计算机。


离子阱量子计算机


相比不听话的电子,离子的个头就大多了,控制起来相对容易,量子逻辑门也更容易实现,所以离子阱量子计算机是最早的量子计算机方案。


把原子外面的电子打飞就得到了离子,用低温把离子关起来,用它的两个能级代表10,测量能级有很成熟的技术,观察光谱就行,而且只要激光一照离子就能当逻辑门使用,实现10的转化,完成逻辑运算。


但是呢,几个离子还关的住,数量一多也就放羊了,而且激光操作的效率实在有些感人,问题也是一堆。这套路玩的人就比较少。 


其他


微观领域的量子效应一抓一大把,所以实现途径还有:液相或固态核磁共振、中性原子、腔量子电动力学、半导体量子点,等等,玩家多集中在欧美中。


争议


虽然媒体上一片祥和,但业内的争议从没停过,悲观者认为现在是群魔乱舞、哗众取宠,而乐观者认为翻天覆地只在旦夕间,马上可以携手走入新时代。那么,争论的焦点是啥呢?


\\李逵和李鬼


下面这个知识点,你要整明白了,说你是外行都没人信。


传统计算机靠逻辑门电路完成运算,也就是能把10相互转化,同样的,量子计算机的运算也需要逻辑门。复杂点说,量子计算机就是通过幺正变换来实现量子比特10的互换。更复杂点说,量子逻辑门,就是量子力学中的幺正算符,幺正算符作用到量子态上,使量子态按照要求进行演化。


这么玄幻的东西,长啥样?非常抱歉,大伙都在懵逼中……简单点说,现在所谓的量子计算机,几乎都是没有逻辑门的。更简单点说,量子计算机暂时还没办法把1变成0、把0变成1。更不客气的说,现在的量子计算机不具备真正意义上的运算能力。


那我们还起个什么劲!?


别急,还有救。


2013年美国两位计算机科学家提出了“波色取样”,通过对经过线性器件处理的玻色子概率分布进行抽样,可以很快求出矩阵常值。啥意思呢?


无数的量子比特经过特定的矩阵之后,分布是有一定规律的,把这些数据统计出来就可以算出矩阵常值。


一般来说,量子计算机大多是针对某个特定的问题,比如用他来做质因数分解就能秒杀传统计算机,我们小学都学过质因数分解,数字小了谁都会,6可以分解为23两个质数的相乘,但数字一大,就很麻烦了。日本富士通研究所曾经用传统计算机对一个128位的数字完成了质因数分解,耗时1个月,这在当时还是个壮举。但用量子计算机,只需1秒钟就够了。


反正这是一个纯数学问题,说多了都得晕,咱们只要知道,这在人工智能、分子模型、加密,等等,个别领域有很好的前景。


但从学术上说,这并不是一台真正的计算机,于是,科学家们取了个新名字“专用量子计算机”,俗称量子模拟机。只能在特定领域干活。


与之对应的就是“通用量子计算机”,这玩意儿有量子逻辑门,能把10,是真正意义上的计算机。传统计算机能干的活,通用量子计算机都能干。


可惜的是,前者商业化速度快赶上摩尔定律了,后者却仍在龟速挪动中。


漫天飞舞的量子计算机


既然阉割版的量子计算机在某些方面展现出了诱人前景,那些商业巨头哪里还能按耐的住啊。于是,资本一到,量子满天飞。


最早登场的是加拿大D波公司,2011年就有商业化的产品,


随后,谷歌、IBM、英特尔以及中国美国的其他研究机构,陆续开始刷数据,一直刷到了256个量子比特。期间,各家不断打破世界纪录,牛皮吹得一个比一个响。


看过红红火火的专用量子计算机,再看举步维艰的通用量子计算机,两者境遇令人唏嘘!能真正改变世界的通用量子计算机,前程堪比“聚变发电”,说多了都是泪啊。



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