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从薛定谔到量子计算机
发布时间:2020-06-23    信息来源:互联网 

你或许在新闻中多多少少听说过“量子力学”的概念,但很少有人能解释清楚这样高深的物理概念究竟是什么!于是,关于它的众多消息不免让人真假难辨。

不过,有这样一种超前沿的技术确是真实存在的,它就是用量子力学原理制造的计算机。解决同一个复杂的数学问题,目前顶尖的超级计算机要花至少10000年,而量子计算机只需要3分20秒。你一定会惊叹,它是怎么做到的?原因在于,超级计算机只是尽量提升了运算性能,而量子计算机则采用了颠覆性的运作方式。

科学界最硬核的宠物,大概就属薛定谔盒子里的猫了。薛定谔的猫是一种假象的模型,猫被关在一个设置了机关的黑箱中,箱子里装着毒药。当机关触发、毒药释放时,猫就会死去。但我们不知道机关什么时候会触发,所以如果不打开箱子,我们也就不知道猫是死是活。于是,薛定谔将它描述为,盒子里的猫处于既是活着又是死去的叠加状态。

当然啦,这样的事情在我们身边是不会发生的,毕竟没有一只猫既是活着又是死的。薛定谔的模型是用宏观的事物描述了一种微观的现象——在微观尺度上,量子具有叠加态。简单来说,就是微粒可以同时处于两个位置,具有两种运动状态。同时,遥远的两个微粒之间,状态也可以相互影响,如果再次用猫的例子来打比方,那就是在几万米之外的地方还有一只猫,它能感应到这只盒子里的猫,并受其影响。数据显示,一对纠缠光子之间目前所能达到的最远距离是1203千米。

量子的叠加态和纠缠现象又是怎么用在计算机身上的呢?对于我们身边常见的计算机来说,它的计算以二进制“比特”为基础。每个比特可以取0和1这两个数值中的一个,对应着电路断开和接通两种状态。决定着计算机运算速度和复杂程度的,正是它能处理的比特数。

而在量子计算机中,计算的基本单位变为了“量子比特”。由于量子的叠加态,每一个量子比特可以同时取2个数值,再加上纠缠,2个量子比特就能同时取到4种数值了。这样,量子比特位能同时进行更多的并行运算,运算能力自然比普通比特更强,显然,量子比特位越多,计算机的运算速度就越无敌。

但理想与现实总是相隔甚远。最初提出量子计算机设想的,是著名的物理学家理查德·费曼。但随后,物理学家们还是花了数年的时间,才真正实现了量子比特电路。他们发现,在超导状态下的电路可以充当量子比特,实现量子计算机的构想。有趣的是,为了保持超导电路工作,量子计算机必须保持超级低的温度,外观看起来就像个大冰柜。如今,谷歌公司推出了53个量子比特的Sycamore处理器,在计算机领域具有划时代的意义。

未来,量子计算机超强的运算能力能帮我们实现很多设想,比如定制个人药物、更准确地预测并应对气候变化,甚至寻找另一个地球。

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