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量子計算有多神奇(上)

來源:科普時報 字號: [ 大 ] [ 中 ] [ 小 ]

今年9月,中共中央政治局就量子科技舉行了集體學習,習總書記強調要加強量子科技發展的戰略布局,要“下好先手棋”。

問世100多年來,量子力學已先后孕育出了原子彈、激光、核磁共振等技術,成為20世紀最重要的科學發現之一;進入21世紀,量子科技革命第二次浪潮來臨,正在催生量子計算、量子通信和量子測量等技術,改變和提升了人類獲取、傳輸和處理信息的方式和能力。

由于量子科技應用面廣,因此各國紛紛加大研發的力度和資金的投入。目前,美國預計十年內將撥款近13億美元,全力推動量子科學的發展。

隨著量子力學百余年的發展,已能夠解決傳統(我們目前正在使用的)計算機無法解決的復雜難題,比如,其計算能力隨著可操縱的量子比特數呈指數增長,利用萬億次傳統計算機分解300位的大數需要15萬年,而利用萬億次量子計算機只需1秒。

12月4日,國際學術期刊《科學》刊登的一篇論文提及,潘建偉教授研究團隊與中科院等科研機構合作,成功研制出名為“九章”的光量子計算原型機。在特定算法上的效率比現有計算機快了一億倍,在處理特定問題的速度上更比去年公布的谷歌53比特量子計算機懸鈴木(Sycamore),快了近100億倍!它能輕易破譯所有密碼,迫使一切現有密碼學重新改寫。此外,與傳統通訊相比較,量子通信能確保絕對安全。

上述的幾個數字大到令人眼花繚亂,為此,我試著用最淺顯的語言來介紹一下量子計算和量子通信。

首先,讓我先從傳統計算機談起。

傳統計算機的最小信息單位是“比特(bit)”,一個比特上的信息要么是0,要么是1。無論是早期計算機的電子管開關,還是現代計算機的晶體管電壓高低,都是用物理的方法來描寫0和1這兩個狀態;而把0和1的開關操作連接在一起,就成了一個邏輯門;再把無數個邏輯門一層一層地連接搭建,便成了計算機的運算核心和控制核心,即計算機的大腦——中央處理器(Central Processing Unit,簡稱CPU)。

那什么是量子計算呢?簡而言之,就是利用“量子疊加態”來做計算。而量子計算的最小信息單位叫做“量子比特”(quantum bit,簡稱qubit或Q比特),雖然和傳統計算機一樣,量子計算機也是使用0和1,但有所不同的是,量子計算能同時計算0和1。

也就是說,在傳統計算機里,一個比特在同一時間不是0就是1,只存在一種狀態;但量子比特可以既是1又是0,兩種狀態同時存在。再說得詳細一些,一個量子比特在同一時間里,可以是0,也可以是1,更可以既是0又是1:它能同時處于0和1的量子疊加態。這種獨有的特性就叫量子疊加,即比特經典狀態的疊加態,也就是我在之前的專欄文章中提到的“薛定諤的貓”——處于既死又活的疊加態之中。

舉一個小燈泡為例,在正常情況下的任何時刻,它只能有一種狀態:要么亮,要么不亮。而如果這個小燈泡處于“量子疊加態”的話,它便會呈現出又亮又不亮的狀態。盡管很難理解,但量子比特就是處于這樣的又0又1的狀態中。

那么,這在計算時最大的好處是什么呢?

比如,我們考慮三個比特,它們的狀態可以是 000、001、010、011、100、101、110、111,一共8種,每三個傳統比特可以代表0到7這8個數之中的一個。比如說(二進制的)011 =(十進制的)3,如果你想把八個數都寫下來的話,需要3×8=24個比特。但是,如果使用量子比特的話,只需要三個數便可以代表從0 到7這八個數的每一個數字了。

這就是量子計算最根本的優勢,3個量子比特就可以代表8個數,依此類推,N個量子比特就可以代表2N-1個數。千萬別以為這沒什么了不起,這是不可想象的力量!因為,要用上幾百個量子比特,就能表示比宇宙中所有原子還要多的數!

傳統計算是把這些數一個一個地算,而量子計算則是把這些數一起來運算。比如你有0到32767(215-1)個東西要做同一種計算,在傳統的計算機中,需要至少15個比特才能代表其中一個數,在理論上要對15個比特做32768次同樣的操作;而如果你有15個量子比特的話,那你就只需要對它們操作一次即可!

開始感覺到量子計算的巨大不同了吧,下文再接著詳談。(上)   

(作者系加拿大某國際財團風險管理資深顧問,科幻作家)

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