期刊信息
曾用名:量子电子学
主办:中国光学学会基础光学专业委员会;中国科学院合肥物质科学家研究院
主管:中国科学院
ISSN:1007-5461
CN:34-1163/TN
语言:中文
周期:双月
影响因子:0.365217
数据库收录:
文摘杂志;北大核心期刊(2000版);北大核心期刊(2004版);北大核心期刊(2008版);北大核心期刊(2011版);北大核心期刊(2014版);北大核心期刊(2017版);化学文摘(网络版);中国科学引文数据库(2011-2012);中国科学引文数据库(2013-2014);中国科学引文数据库(2015-2016);中国科学引文数据库(2017-2018);中国科学引文数据库(2019-2020);日本科学技术振兴机构数据库;中国科技核心期刊;期刊分类:无线电电子学;物理学
期刊热词:
学术活动_第十三届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集
别高兴太早,研发量子计算机的难度你想象不到(2)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】现在请你想一个 1 到 10 之间的数字,然后用一只手表示出来。我们可以用 5 根手指头表示出 1 到 5 ,然后用拇指和小指一起伸出来表示 6,拇指和食指一起
现在请你想一个 1 到 10 之间的数字,然后用一只手表示出来。我们可以用 5 根手指头表示出 1 到 5 ,然后用拇指和小指一起伸出来表示 6,拇指和食指一起,可以表示 8,如果表示 10,那就攥紧拳头就行了。
那么,请你回答,你用一只手,每一次到底能表达多少个数字呢?你肯定觉得这根本不是一个问题,一只手每次当然只能表达一个数字呗。没错,一只手在同一时间只能表达一个数字,这就是经典计算机存储数据的根本规律。计算机比我们的手指头更快,但它的一个比特位,仍然只能存储一个二进制数。
但是,如果换成量子计算机,那表达数字的方式立即就被颠覆了。现在,请把你刚刚用来表示数字的那只手踹在兜里,先别着急拿出来。请你想一想,你踹在兜里的这只手,如果伸出来之后,有可能表达出多少种数字呢?答案是 10 种可能。但是,在你真正把手伸出来表示一个数字之前,你的手会比出哪个数字,仍然是不确定的。这正是量子计算机的存储单元--量子比特的存储方式。它储存的不是具体的数据,而是所有可能出现的数据的出现概率。你也可以理解为,你踹在兜里的这只手,具有某种不确定性。所有你可以用这只手表达的数字,全部都叠加在一起了。你只用了一只手,就存储了 10 个不同的数字,每个数字出现的概率都是 10%,这就是量子比特的威力。
如果你觉得,同时存储 10 个数字,算不上什么神奇的事情,那是因为我们的一只手只有 5 根手指,而且编码的方式也不够好。如果我们用二进制来表示数字, 5 根手指就能同时存储 32 个数字。如果同时用两只手,那就可以同时存储 1024 个数字了。请看,这就是量子比特的威力所在。同样是 10 根手指,使用叠加态会让存储能力提升了足足 1000 倍,但它们使用的硬件资源却是完全一样的。
不仅如此,以后每增加一个量子比特,存储能力就能再提升一倍。按照这个规律增加下去,用不了多久,我们可以同时存储的数字总量,就比全宇宙的原子数还要多了。
上面咱们说的只是存储问题。光有超大的存储能力,还不能完全体现出量子计算机的强大来。我们再说说,量子计算机是怎么进行并行计算的。
量子计算机的并行计算
任何一次计算,都是把已知条件代入公式,然后通过计算得到结果。经典计算机上的已知条件,就是一个一个的确定的数字。把确定的数字代入公式,当然也只能得到确定的结果。一次计算,得到一个结果,这就是经典计算机的计算模式。
我们可以再打个比方,现在有一个黑盒子,左边伸出 1024 根电线头,右边也伸出 1024 根电线头。现在有人告诉你,其实只有一根电线是连通的,请问,你该如何找到这根连通的电线呢?如果使用经典计算机,我们只能一个一个地尝试。左边的 1 号线头和右边的 1 号线头试试,如果不行,就用左边的 1 号线头和右边的 2 号线头再试,直到找到答案为止。这种方法,最不幸的结果,就是可能要尝试 1024x1024 次,也就是大约 100 万次才能找到答案。
如果用量子计算机解决这个问题,就简单多了。刚刚我们说过,量子比特的存储,所有可能的数字,都是叠加在一起存储的。那么从 1 到 1024,其实就只是一组量子比特而已。也就是说,只需要一次计算,量子计算机就同时把所有的可能都考虑进去了。它可以一次性地找到那根连通的电线。一次计算,量子计算机就通过并行计算,实现了 100 万倍的效率提升。
图:谷歌的量子处理器
超级强大的存储能力,加上只需要算一遍,就能得到全部结果的并行处理能力,以及每增加一个量子比特,能力就能增加一倍的神奇特性,让全世界都对量子计算机产生着强烈的期待。
量子计算的瓶颈
然而理想很丰满,现实却是骨感的。量子计算机的这些超能力,全部都建立在量子效应的基础上。量子效应最害怕的一件事情,就叫做波函数坍缩。
还记得被薛定谔关在封闭盒子里的那只可怜的猫吗?这只猫之所以能够处于生与死的叠加态,正是因为盒子与外界是完全隔绝的。任何测量,都能把这只量子猫一瞬间打回原形,让它呈现出要么活着,要么死了的平凡状态。
量子计算机的量子比特也存在这种问题。只要有一点点的风吹草动,这些量子比特就会立即坍缩成一个确定的状态。哪怕一组量子比特中装着海量的数据,只要你一测量,这些数据都会立即化为乌有,坍缩成一个具体的数字。
文章来源:《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2020/1109/362.html
上一篇:虫洞是什么量子纠缠现象又是什么它们之间是否
下一篇:从遗传密码到量子信息