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量子计算机有什么实际的应用意义?

归档日期:05-15       文本归类:多带图灵机      文章编辑:爱尚语录

  “量子计算机里的量子比特有多重编码可能性,可以处理传统计算机无法处理的问题。”这句话怎么理解?难道量子计算机里不是用0和1编码的吗?这里的“无法处理的问题”指的是哪些?如果得到了普及,量子计算机对于传统计算可以有哪些实际的改善呢?参见这篇文章,讲的很详细:量子计算机商业化应用方向--人工智能、分子模拟、粒子物理等

  能上 Youtube 的话, 可以看看 Krysta Svore 在 IQC 的一个公开演讲:

  Quantum Computing: Transforming the Digital Age

  . 里面涉及了一些 non-trivial 的应用, 比如加速分子动力学模拟.量子计算机会给化学研究带来突破吗? - 匿名用户的回答, 这里有些大致介绍.

  稍微正式一些, 但是不涉及技术细节的话. 推荐一篇几周前 Ashley Montanaro 写的量子算法综述吧, 在 scirate 上评价很高:

  . 涉及了不少近年进展, 比如 HHL 算法相关的那些(所谓的量子机器学习), 以及一些经典算法相关的结果(比如我们知道的一些图相关的算法).

  比较好且全面的介绍, 大概还有 Stephen Jordan 维护的 Quantum Algorithm Zoo:

  . 罗列了目前的绝大多数量子算法, reference 里有两百多篇 paper. 当然了, 大多数问题的加速都是多项式级的.

  总结一下. 现在的量子算法其实都是基于几个算法原语(量子 Fourier 变换, Grover 算法, Quantum Random Walk, 量子模拟, HHL), 然后用在各种情境中: 比如用 HHL 算法来处理 ODE 边值问题或者统计学习里面的问题. 会不会有更多的原语呢? 我不知道. 但即使是现在这些原语, 在实际应用中的潜力恐怕也远没有开发殆尽. 更多的 killer application, 很可能需要的是有具体专业背景的人使用量子算法来解决问题.

  , 这种叠加究竟是怎么回事请参看量子力学. 从而量子计算机可以实现几乎是无限并行度的并行计算. 当然直接说一台量子计算机相当于无限大的并行阵列又是不正确的, 比起后者还是有些限制.

  (可以接受的时间内)无法处理的问题 有很多, 最为知名的是大数的因数分解. 经典计算机至今没有找到多项式时间内的算法, 但量子计算机可以实现多项式时间的Shor算法

  如果得到了普及... 普及这不好说, 就说实用级别的量子计算机做出来了, 那么现在市面上绝大多数的非对称加密算法在它面前不堪一击... 同时对于量子过程的模拟会变得容易得多, 大约做化学做材料的会非常开心?

  评论中有人说希望看看为什么叠加就能实现 并行 (确实严格地来说应该是打引号的) , 这里简单说说:

  , 然后设计一组量子门, 在某些意义下就相当于可以同时对于00, 01, 10, 11四种输入同时进行处理. 于是想想n个比特的情形, 最多能够并行计算

  种输入依次计算再加上其他一些辅助操作得到的结果, 如果这个结果具有某些整体的性质, 可以从量子态中作为整体提取出来的, 那么在量子计算中就能够省去对于这些大量的输入情形逐个计算的过程了. 这就是所谓的几乎是无限并行度的并行计算...

  当然量子计算有其与经典计算不同的性质, 还有些诸如量子态不可克隆原理等限制, 所以直接说相当于无穷台经典计算机是不对的.

  设想一台计算机,它可以在一秒钟内破解任何互联网密码或数据加密代码,或者能够精确模拟地球气候,甚至能够监控世界上所有闭路电视监控系统摄像头并跟踪我们所有人。目前,这听起来简直像天方夜谭,因为任何计算机都没有如此惊人的处理能力。然而,一种叫量子计算的新技术能提供这种水平的计算性能。

  简而言之,量子计算机是存储和处理亚原子尺度信息的设备。因此,量子计算正处于下一代计算机硬件发展的最前沿。正如我们将要看到的,一些高度实验性的量子计算机已经被创造出来,一台价值 1000 万美元的量子计算机刚刚投放市场,供那些财力雄厚的企业使用。IBM、谷歌和其他计算行业巨头现在也开始对量子计算产生了浓厚的兴趣,因为它能够超越当前的微处理技术,实现下一步飞跃。

  多年来,计算机的发展一直受到摩尔定律的制约。它由英特尔公司联合创始人戈登·摩尔(Gordon Moore)在 1965 年提出,内容是传统集成电路中的晶体管数量将每 18 个月翻一番。时至今日,摩尔定律仍然没有过时的迹象。然而不可避免的是,我们将达到一个点,即单个电路元件只有几个原子宽。

  在 20 世纪 80 年代早期,一些先进的计算机科学家,包括 IBM 研究实验室的查尔斯·H.班尼特(Charles H.Bennett)和加州理工学院的理查德·费曼(Richard Feynman),开始研究当传统硅片技术到达物理极限时会发生什么。他们知道,原子大小的电子元件的性质将由量子力学完全不同的定律决定,而不是由它们的物理性质决定。这意味着量子规模的电路将不能像传统的硅芯片那样运作。班尼特、费曼等人因此开始研究如何在量子尺度上存储和处理数据。

  如今,所有微处理器都是由数百万个微型晶体管组成。每个微小的电子开关都可以通过电流开启或关闭。任何时候,每个晶体管都可以存储或处理「1」或「0」的数学值。因此,如今的数字电子设备以一种由许多「二进制数字」或「比特」组成的格式处理数据。

  传统的计算机基于晶体管,而量子计算机使用量子力学状态下的亚原子粒子存储和处理信息。例如,数据可以通过电子的自旋方向或光子的偏振方向来表示。

  单个亚原子粒子可以用来表示数据的「量子比特」或「量子位」。然而,奇怪的是,一个量子位可以同时表示「1」和「0」的值。这是由于量子力学的特性被用作量子位的亚原子粒子能够以一个以上的状态存在,或者说是「叠加」在同一时间点上。通过在每个状态上附加一个概率,一个量子位在理论上就可以存储无穷的信息。

  事实上,用于存储量子比特的电子自旋或光子方向非常模糊,并不像非黑即白那样明确,这点非常奇怪。抛硬币不能同时出现正面和反面,但电子自旋的量子态可以做到这一点。因此,著名核物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)曾说:「任何不被量子理论震惊的人就是还没有理解它!」这一说法并不令人惊讶。

  事实上,量子位可以同时存在于两种状态,这一点也远不是量子尺度上唯一的奇异之处。另一件奇怪的事情是,直接观察亚原子粒子的过程实际上会使它的状态「坍缩」成一个或另一个叠加态。其含义是,当从一个量子位读取数据时,结果将是「1」或「0」。为了保持其潜在的「隐藏」量子数据量,一个量子位不能被直接测量。这意味着未来的量子计算机将使用一些量子位元作为「量子门」,进而操纵储存在其他未测量量子位中的信息。

  因为量子位可以同时存储多个数值,未来的量子计算机具有大规模执行并行处理的潜力。事实上,通过增加额外的量子比特处理能力,量子计算机的功率能够呈指数级增长。相比之下,当添加额外的处理能力时,传统计算机的性能只会成倍增加······

  本回答根据与IBM系统技术实现室系统架构师邵鹏的音频对话整理而来,他也被我们称之为大中华区量子计算布道师。

  根据现在的数学的研究,现在密级最高的1024位公钥密码体制,如果用当前最强大的计算机进行暴力破解的话,需要将近三百万年的时间,虽然这是几年前的,根据当时的计算能力的预测结果,但是现在也是需要几百万年的这么一个数量级。

  如果我们有一个“1024量子比特”的量子计算机,那么这个时间可以缩为几天的时间。有一个科学家证明说:“大约5天的时间,就可以破解1024位的公钥密码体制”。

  所以当量子计算机的计算能力,达到这样的一个量级的时候。那么,首先受到冲击的,就是世界的安全体系。所以数学家们现在正在加紧研究新的量子密码加密体系。

  而如果量子计算能够达到商用之后,应该是迫切的继续解决当前业界所解决不了的问题,也就是二进制计算机计算复杂性的问题。

  再具体一点的说,就是在银行、金融、安全系统。甚至新药的研究、新材料的研究,这些对普通生活和工业界产生巨大影响的领域,才会第一步去使用量子计算机。到那个时候人们可能在很短的时间内,就能得到关于,比如说:新药、新材料的一些新的特性。得到验证或做出别的尝试,那个时候我相信我们的生活模式跟商业模式,会有极大的改变。

  谢邀。正如我以前的答案所说。量子计算机的最核心的是来自于相干性(coherence)。这个是物理层面上的,经典的计算机是永远也不可能有这种相干性的。相干性有了superposition,这就导致了物理意义上的同时对不同态的运算。

  1. 量子计算的计算能力要比经典计算要强。但是至于强多少,现在没有严格的证明,这一点我已经说了很多次了。2^N只是人们构想的。量子计算可以到达的计算空间是post-BQP,至于这个post-BQP到底有多大,没有人知道。

  2. 量子计算机的速度要快。我们只是已知所有的经典计算都可以有效的变成量子计算。至于量子计算能快多少,我们也不知道。是不是有量子算法可以有效的解决NP-Hard,甚至有效的解决P-space,甚至更快。这些都还有待研究。

  3. 量子计算节能。由于量子计算都是unitary operator(幺正),是可逆的计算。也就是说只有在一次量子计算结束时(测量量子态时)才会出现熵增。这个也是量子计算在物理意义上的优势。经典计算永远不可能有这个优势。

  那么,量子计算现在有什么应用呢。现在几乎没有。原因是现在通用性的量子计算实现上还有很多的困难。就现在来看只有D-wave一家公司有商业化的量子计算机。只是现在只能计算的Ising model的ground state出来(但,不要小瞧这个,这个也是NP-Hard问题了)。尽管,现在D-wave好像没有多大用处,但是可以证明D-wave用的量子算法也是通用的,也就是说D-wave有一天可能会改造成通用的量子计算机出来。

  说到了硬件实现上了,我就引用自己在知乎的回答量子计算机的工作原理如何简单解释? - huang莱因哈特的回答。这里有更加详细的关于量子计算机硬件及其实现的方法的讨论,这里不重复了。

  那么,假设一天通用型的量子计算做出来了。首先可以知道的是,所有银行里,政府中,甚至是军队中用的RSA密码的破译将得到有效的解决(shor algorithm)。这不亚于对世界格局的影响。还有很多算法的加速可以改变世界,这里就不一一列举,有兴趣的同学可以看看

  当然了,量子计算做出来了,那么量子通信的元器件也能做出来了。当然这属于量子通信改变世界的部分了。

  再说一个有趣的,前面没有人提到的方向吧。最近有些论文有提出黑洞会喷射出信息(详见霍金辐射),但是这些信息的复杂度可能只能用量子计算来破译出来。也就是说,掌握了量子计算的人类可以破译更多宇宙中有效的信息。(当然这些只是猜想)

  更多量子计算实现的讨论,请见量子计算机的工作原理如何简单解释? - huang莱因哈特的回答及其下面的评论。

  目前为了运行某些量子算法,我们只能在实验室里造出特定的量子计算结构。而且这种结构一般都费时费力费钱。

  一台计算机上可以运行各种程序在大多数码农眼里应该是显然的。但要造出一台可以实现各种量子算法的计算机非常困难。

  假如现在我们可以造出商用级量子计算机,我们就可以在它上面运行各种量子算法。

  1.这时,从Google这类行业顶级公司开始,几乎所有经典算法都会被其对应的量子算法替代。量子算法在处理许多任务时都会比经典算法有极大提升。

  量子计算机的确是只在处理某些运算时有优势,但是这些运算实在是太基本了,以至于无处不在。

  比如说几乎无处不在的希尔伯特空间,只要遇到它,基本上都有对应的量子算法。

  所以实际上,量子计算机可以运用在许多类型的任务中。所有大公司都不会也不能错过这种技术。

  。你的搜索记录将完全保密,连Google都不保存。这是由于量子不可克隆原理。

  想想机器学习在二十年前的落寞和现在的春风得意。二十年前机器学习在工业界很难找到使用价值,因为那时的计算能力实在太烂了。学习算法在train set测试一下都要几个月的话,谁还有时间调参数啊。

  想一想,假如我们获得比现在强大的多的计算能力,一个强大到我们无法想象的带量子任务处理的强AI是不是指日可待了?

  【Google去年5月和NASA合建了Quantum AI Lab. 量子人工智能,听名字就很帅啊!】

  就像蒸汽机是工业文明的象征一样,量子计算机带来的计算能力的突破将会有类似的意义,它是人类迈过那7nm鸿沟的桥梁。

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  关于量子计算的简单介绍请点这里:能不能用IT技术人员能听懂的话介绍一下量子计算的原理? - 计算机

  最近也学了一些量子计算的内容,发现量子计算机的实际应用价值还是相当巨大的。

  近期也整理了一下之前所学的量子计算的一些基础知识,供大家参考。文章链接如下:《量子计算(一)》,后续也会根据自己所学的量子计算内容继续撰写相应的读书笔记。

  量子根本没有他说的这么悬乎。如果我们以在某个计算机模型下属于P作为一个问题可解的标准的话,已知量子计算机特有的算法不多,也就是Shors Algorithm等几个。已知量子计算机能确定给我们带来比较重要的就是一个可以把RSA破掉的算法。

  换句话说公认的量子计算机除了能把我们现在在用的几乎所有加密给干掉,让你网购时的银行卡直接暴露在众目睽睽之下以外,似乎并没有什么卵用。畅想归畅想,既然问题问的是实际应用,还是稍微实在点吧。

  既然答了,最近又闲的蛋疼,来点干货。本人学艺不精,也就把他说的里面一些基础知识讲一下吧。。。这里默认读者对于理论计算机零基础,所以看起来可能有点偏题,不要在意。

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  首先谈到理论计算机,不得不知的就是图灵机了。由图灵他老人家在30年代提出。具体可以维基一下,不详叙述。需要表达的只有一点,那就是Church-Turing thesis : 一切合理的计算模型都能够被图灵机模拟。

  也就是说现在大家看到的所有电脑啊什么的都是个图灵机。就算量子的也不例外。

  图灵同时用数学方式给我们搞出了图灵机的理论边界:有许多问题是图灵机所不能解的。比如那个著名的Halting Problem:一个图灵机是否在某个给定输入时完成运算(就是不死循环啦,英语翻过来很别扭)。这些问题我们统称为Undecidable。

  好了,不管量子计算机有多牛逼,只要他本质上是个图灵机,他的理论边界就这么被图灵给圈死了。

  然而问题来了。著名数学家Godel在给他的好基友写信的时候探讨了图灵机的问题。他表示这个东西很屌啊,并且构想了这样一个问题:

  大家思考一下,似乎这个问题不这么难。因为一共就这么多个字母,大不了一个一个试对不对。那么如果这个可以用图灵机实现,我们碰到问题只要给他一个特别大的x,岂不是基本就把问题给解决了? 数学家是不是就都可以失业了?

  。。。额,鉴于过了半个世纪大家高中数学课依然在苦逼地写证明,看来不是这样。。。

  因为机智的计算机科学家们发现了Godel这个美妙想法的一个死穴:时间。

  我们简单一点来说,假设你把一个证明用二进制来写,并且给你的万用定理证明机里放上ZFC和FOL Calculus(用来验证证明是否正确),然后潇洒地按下开始键,开始证明1 + 1 = 2。

  。。。然后你等啊等,等啊等。等到花儿都谢了还是没有等出来。等到你儿子结婚了还是没有等出来。等到你儿子的儿子结婚了都没有等出来。为什么呢?

  来,1 + 1 = 2的证明,在Principia Mathematica中,以纯逻辑机器可验证的方式证,在第379页。。。

  我们稍微和谐一点,假设一页包含了100个bit的信息(其实估计远远不止),那么学过排列组合的人应该知道,这个东西呢,光是长度正确的证明,就有2^37900种可能性,不去考虑这个图灵机还要解决长度比37900小的情况。

  那么问题来了,2^37900有多大啊?宇宙的年龄多大?130亿年。大约4.1 * 10^17秒,粗略换算一下最多2的150次方。

  也就是说,我们假设你从宇宙大爆炸开始算,就算你每秒几百万次计算,算到现在连个零头都没算完呢。

  也就是说,Godel的这个算法,还很有可能连1+1=2都证不出来。直到地球被死亡的太阳吞噬,那个图灵机依然算不出来。

  好了,吓尿的计算机科学家们决定在图灵之前下的定义之上再来一道枷锁:时间复杂度。他们机智地规定,一切在多项式时间里能解的东西才是有实际意义的东西。

  众所周知图灵机需要一个输入。我们假设这个输入是放在一张纸条上的吧,上面写满了0和1 。我们假设图灵机每看一个数字或者写一个数字,每动一个位置都花费1单位的时间,而输入的长度是x。那么我们可以得到函数: 得出答案所需最长时间 y = f(x)

  看起来不错。那么如果这个时候f(x )里面最多只有x^n的项(n为常数),我们就说这个东西是多项式时间了。

  计算机科学家们越想越激动,觉得自己实在太屌了。因为他们发现,是否多项式可解与我们对于电脑模型的假设似乎是无关的,是否多项式可解是问题的本质而非与计算模型有关。他们觉得自己已经摸到了解开计算机理论极限的门!只要能够找出这个多项式可解问题集合(也就是P啦)的边界,他们就大功告成了!

  简洁地说就是计算机科学家们定义了一个叫NP的东西,大致意思是给我一个解,多项式时间内可验证。哲学上来说能解NP是智慧的象征,比如上面提到的定理证明即属此范围。而且,有意思的是有一种问题叫做NP完全问题。也就是说这个问题本身是NP,但是能解他就意味着能解一切NP问题,比如定理证明。但是,他们尝试了这么多年,既无法证明P = NP,也无法证明P != NP。甚至可以说是毫无进展,没有头绪。除了有一大堆佐证告诉我们P不太可能等于NP以外,并没有什么突破。

  所以,呵呵。以后谁再跟你乱吹人工智能你就问他是不是知道NP是什么,不知道别瞎比比。

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  本人物理渣。不过身为计算机科学家有一点还是好的。我们可以把量子计算看成一个数学问题嘛!反正怎么实现不归我管,我就考虑下怎么用咯。那么现在我我们就来看一下量子计算究竟是个什么鬼。

  然后我们有一堆门,搞各种各样的东西。我们可以简单地把这些门都看成一个个函数,然后用真值表给他写出来,比如与门:

  我们假设邪恶博士知道了你学会了电路的事,非常不开心,于是偷偷地把你的电路搞坏了。现在你的输入1和输入2变来变去的,时好时坏。

  但是这些小伎俩怎么难得倒机智的你呢?你决定,既然这些东西会变,我就把他的值写成概率!

  假设邪恶博士使得输入1有 70%的概率是1, 输入2有50%的概率是1。那么:

  。。。那么恭喜你你获得了一个QB。。。哦不是一个qubit。。。也就是量子比特。

  但是就像之前的版本里最后的结果不是0就是1一样。qubit,如果你最终去测量他的话,结果不是alpha就是beta。换句话说,“观测一个量子比特的值会使其坍缩到一个特定的态”。

  其中坍缩到alpha的概率是alpha值平方,到beta的概率是beta值平方。

  不过有趣的是,在你观测之前,这个比特即使alpha又是beta,所谓“薛定谔的猫”是也。而有的时候你把两个比特同时穿过一个门以后他们的可能性只剩下alpha alpha和beta beta了,于是这两个比特就“纠缠”了,等等等等。

  至于算起来呢,还真的跟算概率挺像的。在此不详叙述。以免班门弄斧被大神打脸。

  那么题主说的那个“可多重编码”就是这个意思,因为每个qubit里有额外的信息。至于“无法解的问题”,很多时候也和这个有关。譬如你把两个非量子的比特穿过一个电路,在邪恶博士的影响下你必须测量每一个比特的值。而如果你把两个量子比特穿过一个量子电路,他们可能会在你的设计之下纠缠起来,然后你就只需要测量一个了。

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  那么问题来了,既然我们现在的计算机可能性被Undecidable和NP两座大山压着,量子计算机能搞出个什么呢?

  比如现在加密的RSA公共密钥算法,依赖的是已知一个整数无法在多项式时间内把他的因数拆开来。至于为什么比较复杂,不加叙述。我们至今没有在非量子计算机上找到办法去解这个问题,但是我们也证不出来这个问题是NP完全。所以这可能是一个中间的问题。

  而且这个问题如果有量子计算机是解得出来的。(Shor Algorithm)

  也就是说,如果有量子计算机的话,我们或许可以把我们能解的范围往前再推进一步,但是这个究竟有多厉害,没有人知道。学界大概的意见是似乎并没有那么厉害。起码现在就指望他一举解决NP问题毁灭全人类,让全部数学家失业有点太早了。

  基本结论:要想知道这些科技对我们的生活究竟有多大影响,还是认真读几年数学读几年理论计算机吧。。。不要在知乎上听人(比如我)吹牛逼。

  计算机并不是凭空存在的。它们是为了解决问题而生,而它们能解决的问题由它们的硬件所决定。图像处理器是为了表现图像,人工智能处理器是AI的载体,而量子计算机之所以被设计出来是为了……神马呢?

  尽管量子计算异常强大,却并不仅仅意味着现有软件运转得比之前快了无数倍。其实,量子计算机既有擅长解决的问题,也有不擅长的领域。当下一代计算机进入市场时,以下这些应用将会大放异彩。

  量子计算的主要应用之一就是人工智能(AI)。AI的原理就是从经验中学习,随着反馈增加越来越准确,直到计算机程序看上去显得“智能”。

  这种反馈是基于对许多可能选项的概率计算,因此AI便成为了量子计算的完美候选人。AI誓要颠覆从汽车到医疗的每一个行业,有人甚至将AI对21世纪的重要意义与电之于20世纪相类比。

  例如,洛克希德马丁公司计划利用其D-Wave量子计算机来测试因为过于复杂而无法在传统计算机上运行的自动驾驶软件,Google也正在利用量子计算机来设计能够将车辆与地标区分开来的软件。AI已经可以创造AI了,因此其重要性也将与日俱增。

  另一个例子是对分子相互作用的精准建模,为化学反应找到最优配置。化学反应是高度纠缠的量子叠加态。这样的“量子化学”太过于复杂,现有的数字计算机只能对最简单的分子进行分析。但成熟的量子计算机即使对最复杂的过程进行评估也毫不费力。

  Google已经通过模拟氢分子的能量在这一领域取得了突破。这将会带来更高效的产品,从太阳能电池到医疗用药都是如此,尤其是化肥产品。化肥占全球能量消耗的的2%,更高效的化肥对全球能量和环境益处深远。

  现今的网络安全大多都取决于将大的数字分解成质数的困难性。虽然现有的数字计算机可以通过搜索每一个可能的分解因子来达到目的,但所需的海量时间会让“解码”过程变得昂贵而不现实。

  量子计算机在分解因子上的效率比数字计算机有了指数级的提高,这意味着传统的安保方式将很快成为过去。尽管需要一定时间,对新的加密方式的研发正在进行中:2015年8月,美国国家安全局开始引入一套可以抵御量子计算机的加密方法。2016年4月,美国国家标准与技术研究所展开了一项为期4-6年的公共评估过程。

  利用量子纠缠这一单向特质的量子加密方法也值得期待。城市范围内的网络已经在一些城市中得到了展示,中国科学家也宣布其成功从量子卫星向地球上的三个不同基站发射了纠缠的光子。

  现代市场是世界上最复杂的体系之一。尽管我们不断开发出科学和数学工具来对其进行研究,市场仍然与其他科学领域有着一项重要区别:没有可以进行实验的可控环境。

  为了解决这一问题,投资人和分析师求助于量子计算。一个显而易见的益处在于量子计算机固有的随机性与金融市场的随机性相一致。投资人总是希望在随机生成的极大量场景下评估结果的分布。

  量子带来的另一个好处在于套利这样的金融业务可能需要很多的路径依赖性的步骤,而可能性的数字很快就会超过数字计算机所能负荷的容量。

  美国国家海洋和大气管理局首席经济学家 Rodney F. Weiher称,美国GDP的近30%都直接或间接受到天气的影响,食品制造、运输和零售等行业都遭受冲击。更好地预言天气的能力将使得诸多领域受益良多,防患于未然更是可以大大缩短受灾后所需的恢复时间。

  虽然这一直是科学家们长期以来的目标,但预测这些过程的方程包含了许多变量,使得经典模拟十分冗长。正如量子研究员Seth Lloyd指出的那样,“使用传统的计算机进行分析可能比实际的天气演变所需的时间更长!”这激发了麻省理工学院的Lloyd及同事们的灵感。他们证明,预测气象的方程式具有隐藏的波动性质,可以用量子计算机解决。

  谷歌工程总监Hartmut也指出,量子计算机可以帮助人们建立更好的气候模型,可以更深刻地洞悉人类是如何影响环境的。科学家们依据这些模型做出未来全球变暖的预估,这些模型还能帮助我们确定现在需要采取哪些步骤来防止可能到来的灾害。

  这项激动人心的新物理学的最终应用可能不是别的,而是用来学习令人兴奋的新物理学。粒子物理学的模型往往非常复杂,以纸笔计算无法应对,且需要大量的计算时间来进行数值模拟。这使得它们成为量子计算的理想选择,而研究人员已经利用了这一点。

  因斯布鲁克大学和量子光学和量子信息研究所(IQOQI)的研究人员最近就使用了一种可编程量子系统进行了这样的模拟。该团队发表在《自然》上的文章中称,他们使用了一个简单的量子计算机,其中的离子执行逻辑运算,这是所有计算机计算的基本步骤。与实际的物理实验相比,这种模拟表现出了极好的一致性。

  “这两种方法相互补充完善,”理论物理学家Peter Zoller说道。“我们无法替代在粒子对撞机上进行的实验。然而,通过开发量子模拟器,我们有朝一日或许能够更好地理解这些实验。”

  投资人们现在正争先恐后地投身于量子计算生态系统,而不仅仅是计算机产业:银行、航空公司和网络安全公司都在获益于计算革命。

  虽然量子计算已经对上述领域造成了冲击,但相关领域还远远不止这些,量子计算技术将对国家经济、科技、军事国防、信息安全等领域产生巨大影响,与所有新技术一样,随着硬件的不断发展并创造新的机遇,目前难以想象的应用将得到长足的发展。

  本源量子首席科学顾问、中国科学院院士、中国科学院量子信息重点实验室主任郭光灿教授在系列科普文章中对量子计算的未来影响做过详细描述:

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  每一小节课程的检测页面后制作了卡片式的打卡分享,让你为自己每一天的提高与改变感到自豪。

  量子计算机是一种使用量子力学原理进行计算的计算机,它能比常规计算机更有效地执行特定类型的计算。

  听的是不是有点云里雾里?不是说好了没有物理学或计算机科学知识也能听懂吗?别急,这里将通过一个简单的例子来告诉大家,它到底是什么。

  一台普通的计算机以 0 和 1 的 序列存储信息,不同类型的信息,如数字、文本和图像都可以使用这种方式表示,这种由 0 和 1 组成的序列中的每个单元都被成为比特位,所以,比特位可以设置为 0 或 1。

  量子计算机不使用比特位来存储信息,相反,它使用一种叫量子位的东西,每个量子位不仅可以设置为 1 或 0,还可以设置为 1 和 0。那这到底意味着什么呢?这里用一个简单的例子来解释这个问题:

  为了简单起见,假设现在只需要移动3个人—— Alice、Becky 和 Chris。我们为此预定了两辆出租车,但想知道谁上了哪辆出租车。另外我们也得到了关于谁和谁是朋友,谁和谁是敌人的信息。

  要用普通的非量子计算机解决这个问题,首先需要弄清楚如何用比特存储相关信息。

  因为每个人有两种选择,所以有 2x2x2 = 8 种方法将这群人分到两辆车上。

  为此,我们需要定义如何计算每个配置的得分。这个分数将代表每个解决方案达到我前面提到的两个目标的程度:

  对于一台普通的计算机,要找到最好的配置,需要遍历所有配置,看看哪个达到了最高分。

  这个问题相当简单。但是随着越来越多的人参与到这个问题中来,用一台普通的电脑很快就会变得难以解决。

  用一台普通的计算机,用3个比特位,一次只能表示其中一个解——例如 001。

  首先,来看这3个量子位中的第一个量子位。当将其设置为 0 和 1 时,就好像创建了两个并行世界。

  现在,如果再把第二个量子位也设为 0 和 1 呢?就像是创造了4个平行世界。

  在第一个平行世界中,两个量子位被设置为 00,第二个平行世界中是 01,第三个平行世界中是 10,第四个平行世界中是 11。

  类似的如果将这三个量子位都设置为 0 和 1 ,就会创建8个平行世界——000、001、010、011、100、101、110 和 111。

  虽然这是一种奇怪的思考方式,但它是解释量子比特在现实世界中的行为的正确方式之一。

  现在,当对这三个量子位进行某种计算时,实际上是在同时对这8个平行世界进行同样的计算。

  有了这个特殊的例子,理论上量子计算机可以在几毫秒内找到最好的解——001 或 110,正如我们之前看到的:

  具备了上述两个条件,量子计算机将在几毫秒内给出其中一个最好的解决方案。在本例中,分数为 1 的是 001 或 110。

  然而,实际上在运行量子计算机时有可能存在错误。所以,它可能会找到次优解,次次优解,等等。

  因此,在实践中可能需要在量子计算机上运行相同的操作数十次或数百次。然后从结果中选出最优解。

  当有3个人需要分到两辆车上时,需要在量子计算机上执行的操作数是1。这是因为量子计算机同时计算所有情况的分数。

  当有100人的时候,操作的次数仍然是 1。仅仅一次操作,量子计算机就能同时计算出2¹⁰⁰ ~ = 10³⁰ 种情况的分数。

  而正如之前所说,在实践中最好运行量子计算机几十次或几百次,然后从得到的结果中选出最好的结果。

  可以免费使用它来解决很多问题,并且在注册后还可以看到很多关于量子计算机的相关教程。

  备注:在本文中,作者使用术语“常规计算机”来指代非量子计算机。然而,在量子计算行业中,非量子计算机通常被称为经典计算机。

  量子有一种很神奇的特性,也就是量子的叠加态。一个粒子,在我们观测之前,它处于又左旋又右旋的状态。但是我们观测以后,我们只能得到要么左旋,要么右旋的结果。换句话说,在观测的一瞬间,它「塌缩」了。

  对于量子处于叠加态的证明,可以搜索一下托马斯·杨的「双缝干涉实验」中,观测手段影响光的波粒二象性的表现,以及「延迟决定实验」中,在一切结束后再对过程进行决定的实验。可以说,量子论打破了经典物理学中的决定论和定域性,实际上,不存在一个确定的「历史」,而取决于我们观察的方式。同时,不同的观测方式甚至可以导致不同的历史。

  第一,是指数级增长的计算能力。经典计算机中,一个经典比特只能存储一位信息,要么是 1 ,要么是 0 。但是在量子计算机中,这个比特可能是 0 ,也可以是 1 ,关键是它们同时参与了计算,而只在你观测时,才会塌缩成一个完全确定的解答。假如是 10 经典比特,那么相当于 10 位数据参与运算。而 10 量子比特,就是 2^10 ,也就是 1024 位数据参与了运算,这是多么巨大的差距。

  第二,假设现在你的手放在键盘上,准备进行 Google 搜索。不可思议的地方在于,甚至在你想好要搜什么之前,量子计算机就可以完成计算!乍看起来这样非常不合常理,但是实际上,在你打字时,后台就可以开始进行计算。这个计算可能是各种搜索关键字的叠加态,而在你打好字按下回车时,这个叠加态一瞬间塌缩为你要的关键字,你的搜索早已运算完毕了。

  第三,我们现在计算机的主要热量,来源于我们对存储器的不断读写和重置。假设我们的存储器内有 0 和 1 组成的杂乱无章的数据,现在我们全部清零。这一刻,我们的存储器显然变得更加「有序」,即无序程度「熵」的降低,而根据热力学定律,这些熵就以热量的形式散发出去。因为微观粒子的幺正性,量子的运算是一种完全可逆计算,信息不会丢失而得到重用,几乎不会有热量的散失。

  所以说,届时在一块手表上实现超越一切经典计算机的算力,并且超低功耗和热量,的确不是不可能的。我们可以期待通用量子计算机普及的时候,人类文明会迎来多大的飞跃。

  量子计算机是用平行世界进行计算的。它的最大优势是可以输入叠加态。对0和1同时进行处理。

  举个例子,一个经典的与门,输入有四种的线,那么如果我想知道所有的可能性,我们要把这几种情况分别进行计算,需要4次计算。而量子计算机却只要“同时”给这个与门的输入端加上叠加的01,一步就出结果了。

  量子计算机可以用于密码破译,比如大家都知道的,加密了一些东西忘了密码,解密可能要穷举法。这类似于行李箱的密码,可以通过不断的转动齿轮试出来。但是我们用量子计算机,就可以直接把齿轮上的每一位,“同时”输入进去,然后立马就可以找出打开文件的那个密码。

  量子计算机在计算量子现象的时候也是得心应手。大家知道微观世界是由量子力学统治的,而量子力学最大的特点就是叠加,你计算的时候要把所有可能的原子波函数组合(干涉项)全部都考虑进去。这样下来,计算量会随着原子数增加呈幂指数暴涨,导致现在最先进的计算机,通过量子力学来模拟材料的性能时,模型中最多也只能放500个原子…

  500个原子,对于dna,对于蛋白质,对于高分子,简直是芝麻粒。所以人类至今无法从理论上模拟和预测蛋白质一类的功能,只能通过实验不停的观察,像植物学家那样纪录。

  如果有了量子计算机,生物体系的计算将可行。物理再吃掉无机化学后,开始向高分子、生化领域进发,让人们仅仅通过模拟手段就可以预测蛋白质和细胞的功能。

  量子计算机和普通计算机,一个是运算能力和晶体管数量成正比的,一个是运算能力和量子比特呈幂指数关系的。虽然量子计算机目前能力有限,但是如果量子比特继续变多,那运算能力就是2 48 16 32 64 128256512 10242048 4096 8192 这样几何级数的增长啊!最终,它的计算能力会远超现在的计算机。

  现在的计算机就像走迷宫一样,先随便选一条路走走,走不通然后再换条路走走,直到走通为止。

  而量子计算机则同时走所有的路,然后选择那条走通的路。相比起传统计算机,量子计算机这速度……不用说了吧?

  目前科学发展的趋势归根结底就是两条路数。第一就是探究现有物质新的组合方式,包括原子层面和分子层面,包括生命科学、高端材料合成等等。第二就是挖掘世界存在的本质,天文学和高能物理一个往大了去一个往小了去就是用不同的方式想要继续挖下去。而目前为止,这些顶端科技之所以没有突破性的进展就是因为需要的计算量太大,目前几乎完全被锁死。比如,生命科学,归根究底就是有机分子的排列组合,想要模拟生命的各种可能性真是需要太大的计算量了。物理、天文所需要建立的模型更是如此。

  而量子计算的突破对这些顶尖科技的意义真是无法想象,计算能力质的飞跃必然会使这些顶尖科技爆发式的发展,届时生命、物质、能量、空间、时间的本质终于有可能展现在我们的面前,各种现在想都不敢想的应用会随之出现。所以,量子计算简直就是人类的新革命,迈向神级文明的金钥匙,非常令人期待。

  在我看来,量子计算机还有十年以上的路要走。但一旦突破某个瓶颈后,军事肯定是第一用途。一切现有的密码学几乎要重新改写,那是相当可怕的。所以现在很多都在研究后量子时代的密码算法。超椭圆曲线还有格型密码算法

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