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量子计算

Quantum Computing

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导读:量子计算(quantum computing)的研究集中在基于量子理论原理开发量子计算机,量子理论在量子(原子和亚原子)级别上解释自然以及能量和物质的行为。

关键词quantum computing 量子计算

【TechTarget中国原创】量子计算(quantum computing)的研究集中在基于量子理论原理开发量子计算机,量子理论在量子(原子和亚原子)级别上解释自然以及能量和物质的行为。开发量子计算机,如果能够实现的话,将标志着计算能力的巨大飞跃,比从算盘到当代超级计算机的飞跃要大得多,性能上也会有数十亿倍或更大的提高。依量子物理学法则,量子计算机通过在多种状态下并行工作将具有巨大的处理能力,利用所有可能的排列来完成任务。当前量子计算的研究中心有MIT. IBM. 牛津大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室。
  
  量子计算的基本理论是由Paul Benioff于1981年在工作的Argonne国家实验室创立的,。他对一个用量子机制理论进行操作的经典计算机进行了理论化。但牛津大学David Deutsch 对量子计算研究的推动使其被广泛接受。1984年,在一个计算理论会议上他开始考虑基于独立的量子理论来设计计算机的可能性没,几个月后发表了一篇获取突破性研究的论文,人们开始利用他的观点。然而,在我们开始深入钻研之前,了解一下量子世界的背景是有好处的。
  
  量子理论
  
  量子理论最初产生于1900年,Max Planck向德国物理学会陈述时采用的,在陈述中他介绍了能量像物质一样,以独立的单元(他称为量子)存在的观点。在以后的三十年中一些科学家发展了这一理论导致了当代的量子理论。
  
  量子理论的基本原理:

  • 能量,像物质一样,有离散的单元组成,而不是连续的波。 
  • 能量和物质的基本微粒,依具体情况,可能像微粒也可能像波。
  • 微粒的移动,是随机的,不可预料的。 
  • 对两个互补的值进行同时测量,像微粒的位置和动量,就会产生错误;一个值较精确,有错误的那个值将是其他值得测量。

  量子理论的进一步发展
  
  Niels Bohr提出了量子理论的Copenhagen解释,声称一个微粒无论怎样测量(例如,波或微粒)都不能被认为有特定的属性或存在,直到她被测量为止。简单来说,Bohr认为客观现实是不存在的。这可解释成重叠原理,即当我们不知道物体的状态时,只要我们不去检查,他就同时存在于所有可能的状态中。
  
  考虑这个理论时,我们用著名的、某种程度上有些残酷的Schrodinger的猫进行类推。首先,假设我们有一只活猫并把它置于厚的铅盒中。这个阶段,毫无疑问猫是活的。然后我们放入一瓶氢化物封住盒子。这时我们不知道猫是活的还是它打破了氢化物的盒子死掉了。因为我们不知道,毛可能活也可能死,根据量子法则,处于重叠状态下。当我们打破盒子来检查猫的状态时,重叠状态丢失,猫只能是活着或死了。
  
  量子理论的第二种解释是多元宇宙或多元世界理论。这种理论指出只要某一物体可能存在于一种状态下,该对象的世界就能转化为与它可能存在的状态数相等的一系列并行世界,其中每一个世界包含该物体的一个独一无二的状态。同时,存在一种机制使这些状态可以交互作用并且在一定程度上相互可达,在某种行为中所有状态可能都被影响。Stehen Hawking 和Richard Feynman 等科学家解释了多元世界理论的优势。
  
  不论选择哪一观点,某种程度上,一个微粒可以存在于多种状态的理论为计算打开了深奥的暗示之门。
  
  传统计算与量子计算的比较
  
  传统计算最终依赖于布尔代数原理,通常用7种模式逻辑门原理进行运算,虽然它仅存在三种模式(即AND. NOT. COPY)。数据在给定时间必须处于确定的状态下进行处理,就是或者为0或者为1。这些值是二进制数字或位。计算机内部数百万的晶体管和电容在一个时间只能处于一种状态。晶体管和电容在转换状态之前处于0huo1的时间可以用毫微秒来测量,这些设备转换状态的速度也可以被限制。当我们集成更小和更快的电路时,我们开始接近材料的物理极限和传统的物理学法则阈值。量子世界的到来,对上述问题提出了潜在的巨大挑战。
  
  量子计算机,用两模式逻辑门进行工作:XOR,一种模式我们将称为Q01(能把0转换成重叠的0和1,这种逻辑门在经典的计算环境中不存在)。在量子计算机中,许多基本的微粒像电子、光子均可以利用(通常,离子也可被利用)。用它们的电荷或被描述为0或1得两级分化行为。这些微粒的每一个都以量子位或qubit著称。这些微粒的特性和行为形成了量子计算的基础。量子物理学两个最相关的方面是重叠和牵连。
  
  重叠原理
  
  把qubit考虑成磁场中的电子。电子的宣转可能与磁场一致,称为上旋转状态,或者与磁场相反,称为下旋状态。通过提供脉冲能量使电子旋转从一种状态变为两一种状态,例如从激光。让我们假设我们用一单位激光能量。但是假设我们仅用半单位的激光能量并完全消除外界对微粒的影响将会怎样呢?根据量子理论,微粒将进入重叠状态,即同时处于两种状态下,每一个qubit呈现重叠状态0和1。因此量子计算机的计算数是2的n次方,n是qubit的位数。量子计算机如果有500qubits,就在每一步作2500次运算。这是一个可怕的数,2500比地球上已知的原子数还要多(这是真正的并行处理,当今的经典计算机,所谓的并行处理器仍然是一次只做一件事情)。但是这些微粒如何相互作用呢?他们通过量子牵连来做。  
牵连原理
  
  在某点上相互作用的微粒(像光子、电子和qubits)之间具有一种关系,能够成对的纠缠在一起,这一过程被称为相关性。知道了纠缠在一起的一个微粒的状态是上或下的话,它同伴的旋转是在其相反的方向上。令人惊奇的是,由于层叠现象,被测定的微粒没有单独的旋转方向,而是同时成对的处于上旋和下旋状态。被测微粒的旋转状态由测量时间和与其相关的微粒决定,其相关微粒同时处于相反的旋转方向。这一真实的现象(爱因斯坦称其为“一定距离之间的神奇行为”),至今没有任何恰当的理论可以解释,只是简单的被接受着。量子牵连就是无论qubits之间有多远的距离都能同时相互作用(不受光速限制)。无论相互作用的微粒之间相距多远,他们都将相互缠在一起直到被分开。

  量子的重叠与牵连原理产生了巨大的计算能力。普通计算机中的2位寄存器在某一时间仅能存储4个二进制数(00、01、10、11)中的一个,而量子计算机中的2-qubit寄存器可同时存储这四个数,因为每一个qubit可表示两个值。如果有更多qubits的话,能力就呈指数级提高。
  
  量子编程
  
  可能比量子计算能力更诱人的是它提供了编写程序的全新方式。例如,量子计算机能够合并编成的顺序使所有优先的计算以重叠的方式进行,这将极快的解决数学问题,像大数的因式分解,而该方法应用在传统计算机中是没有意义的。下面我们将讨论一个例子。
  
  有关量子编程方面有两个非常著名的例子。一个是1994年Peter Shor(now at AT&T Labs)开发了一个量子算法可有效的解决大数的分解问题。该算法集中在用数码理论来解决大数顺序的周期性问题。该方面另外一个重大的突破是1996年贝尔实验室Lov Grover做出的,他发明了有可能是迄今为止最快的算法来查找非结构化数据库。这一算法非常有效,平均仅需要N(N是元素的总数目)的平方根次查找就可找到期待的结果,而在传统计算中,平均要进行N/2次查找。
  
  问题和一些解决方法 
 
  上面的论述听起来很令人期待,但还有很多的障碍需要克服。与量子计算有关的问题如下:

  • 干扰——在量子计算时,对量子系统最轻微的干扰(光或电磁辐射)都会引起计算得瘫痪,也就是不一致。量子计算机在进行计算时必须与外界全部隔离开来不受任何干扰。已经有在强电磁场中运用qubits或运用离子获得成功的例子了。
  • 错误纠正——因为彻底隔离量子系统是非常困难的,因此必须开发错误纠正系统。Qubits不是数值数据,因此就不能采用传统的像3倍冗余法之类的错误纠正方法(虽然非常有效)。由于量子计算的特性,使其错误纠正非常困难,即使单个的错误,都会引起整个计算的无效。这一领域现在已有了相当的发展,开发出了9qubits(1个计算位,8个纠错位)的错误纠正算法。最近,IBM公司又开发了5qubits(1个计算位,4个纠错位)的纠错算法。
  • 结果报告——与上面两项紧密联系的,是在量子计算的数据被破坏之前得到结果。在一个500qubits的量子计算机中,如果进行量化的话我们仅有2500次方之一的机会得到正确的结果。因此,必须确保,一旦计算完成进行结果输出时,,输出值是正确的。究竟要怎样做呢?Grover已经用他的数据库查找算法得到了,就是依赖于量子计算机中可能的波形。一旦计算完成,将看量子状态的恢复灵敏度来检测正确的结果。

  虽然还有很多问题需要克服,最近15年来,特别是近三年,在该领域所获得的成就使量子计算并不是不可得的,只是它的实现要10年还是100年的时间还不能确定。然而这一技术的前景吸引着太多的政府和个人的关注。军方应用包括通过庞大的查找量来破获密码,民间应用从DNA建模到复杂的材料科学分析。技术的巨大潜力正吸引着人们来克服这些障碍,然而这些问题是否都能得到解决,何时能够解决,仍然不得而知。

最近更新时间:2008-6-18  查看英文
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