量子计算机的工作原理,为何计算能力如此强大?

1947年,美国计算机工程师霍华德·艾肯说,只需要六个比特位的电脑将能够满足世界的所有计算需求。当然,霍华德没有想到科学研究以及人们生活会产生如此大量数脑的激增和互联网的出现。

1947年,美国计算机工程师霍华德·艾肯说,只需要六个比特位的电脑将能够满足世界的所有计算需求。当然,霍华德没有想到科学研究以及人们生活会产生如此大量数据,个人电脑的激增和互联网的出现,这些都推动了我们对计算能力的需求。

量子计算机的工作原理,为何计算能力如此强大?

图灵

如果按照摩尔定律的规定,微处理器上的晶体管数量每18个月继续增加一倍,那么2020年或2030年将发现微处理器上的电路在原子尺度上进行测量。而到达原子尺度则不可控,所以我们的下一步是创造量子计算机,它将利用原子和分子的力量来执行记忆和处理任务。

图灵于20世纪30年代开发的图灵机是一种理论设备,由无限长度的磁带组成,分为小方块,每个方块可以包含符号(1或0)或留空。读写设备读取这些符号和空白,从而为机器提供执行某个程序的指令。

量子计算机的工作原理,为何计算能力如此强大?

这听起来很熟悉吧?

那么,在量子图灵机中,区别在于磁带存在于量子状态,读写头也是如此。这意味着磁带上的符号可以是0或1或0和1的叠加态;换句话说,符号同时是0和1(以及其间的所有点)。普通的图灵机一次只能执行一次计算,但量子图灵机可以同时执行多次计算(2的n次方)。

量子计算机的工作原理,为何计算能力如此强大?

今天的计算机,通过操纵存在于两种状态之一的位来工作:0或1。量子计算机不限于两种状态;它们将信息编码为量子比特,它们可以叠加存在。量子点代表原子、离子、光子或电子以及它们各自的控制设备,它们一起工作以充当计算机的存储器和处理器。因为量子计算机可以同时包含这些多个态,所以它有可能比当今最强大的超级计算机强大数万倍。(例如,一个500量子位的计算机,它每一步就可以实现多达2的500次方的运算)

举个简单的例子,拿我国的天河二号超级计算机来比较,一个需要天河二号运算100年的计算,换为量子计算机的话,理论上只需要0.02秒的时间。

量子比特的叠加使量子计算机具有固有的并行性。根据物理学家David Deutsch的说法,这种并行性允许量子计算机同时处理一百万次计算。一个50量子比特位计算机将等同与传统超级计算机的处理能力,该计算机可以以每秒数万亿次浮点运算运行。今天通用的家庭台式计算机以每秒数十亿次浮点运算的速度运行。

在量子计算机的研发过程中,有两大难题需要突破,一是算法的确定,二是要选择合适的材料和制造条件,来制造出量子计算机。

首先在算法方面,由于量子计算机完全不同于现有的计算机系统,因此,它的整个算法都要重新研究确定,其中由贝尔实验的美国科学家彼得.秀尔所提出的秀尔算法被广泛采用。

秀尔

由于量子计算机系统环境的要求极为苛刻,环境的热辐射、电磁辐射和材料缺陷都会引起计算错误,因此,人们一直在寻求最适合的材料。1超导材料铌,这个材料需要主机被液态氦冷冻到0.005K,即零下273.145摄氏度(比较成熟),2稀土金属,例如镨(探究中)。

计算机科学家通过使用控制设备控制在量子计算机中充当量子位的微观粒子。

离子阱使用光学或磁场(或两者的组合)来捕获离子。

光阱使用光波来捕获和控制粒子。

量子点由半导体材料制成,用于包含和操纵电子。

半导体杂质通过使用半导体材料中的"不需要的"原子来包含电子。

超导电路允许电子在非常低的温度下几乎没有电阻地流动。

下面,将介绍量子计算领域的一些最新进展

2001年来自IBM和斯坦福大学的科学家在量子计算机上成功演示了Shor算法。Shor算法是一种寻找数字素数因子的方法(在密码学中起着固有的作用)。他们使用7比特的计算机来找出15的因子,计算机正确地推断出素因子是3和5。

2005年因斯布鲁克大学的量子光学和量子信息研究所宣布他们使用离子阱创造了第一个8量子比特位的计算机。

2006年滑铁卢和马萨诸塞州的科学家们设计了一种12比特系统的量子控制方法。

2007年加拿大初创公司D-Wave展示了一款商用16量子比特位的计算机(猎户座)。计算机解决了数独谜题和其他模式匹配问题。该公司声称它将在2008年之前已生产出了实用的系统。

商业量子计算机

2015年3月 谷歌发布了首款达到9量子位的芯片,该产品基于量子纠缠协议和线性结构进行设计,并利用名为"基偶校验"的检查方法,通过测量每个量子位的相互作用来追溯计算过程,从而降低因量子纠缠现象导致的计算错误率。

但量子计算仍处于早期发展阶段,许多计算机科学家认为创建实用的量子计算机所需的技术还需要数年时间,量子计算机必须有50量子比特才能解决现实问题。

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