量子计算机

量子计算仍是一个距离实用非常遥远的学科,但这个概念这两年被炒的很热,因为它一旦突破,将带来颠覆性的影响,我不妨稍做一些了解。

最近大家都逐渐认识到,宇宙的组成本源,除了物质和能量外,还有一个,就是信息。实际上在我们中国古代的创世论神话中就揭示了这一点,就是盘古开天地的故事,盘古开天辟地、分离混沌,他没有创造物质也没有创造能量,而是创造了信息。这凸显了信息在宇宙中的重要性,这是西方创世神话没有的。

现代物理学在宏观和微观分别提出了相对论和量子力学两大理论,这两大理论实际上说了一个共同的事情,就是宇宙是有限的,在宏观上不存在无限大,速度、空间、时间等等都有一个上限,在微观上则不存在无限小,空间、时间、能量都不是无限可分的,它们的最小单位叫普朗克尺度,所有的实际物理量都是普朗克尺度的整数倍。也就是说,宇宙在微观上是离散的,这和现代计算机的计算原理是一致的,所以说宇宙就是一台巨大的计算机。

但是宇宙计算机的基本信息单元是每个量子的状态,我们称之为量子比特,它是和我们现在的电子计算机所用的电子比特是不同的。电子比特处于确定的0,1两这个状态中,而量子比特处于一个0,1之间的概率分布状态中,正是这种量子的天然的真随机状态决定了宇宙的随机性。

每个量子比特就是一个天然的高斯概率分布值,而在电子计算机中,还需要经过一个比较复杂的计算才能生成一个逼近高斯分布的“伪随机数”。因此用量子比特构成计算机,它将具有电子计算机所不具有的很多属性,主要就是可以开发出以概率分布为基础的算法,这种算法在量子计算机中具有高速的计算效率,因为每个概率分布可以用量子比特天然表示。现在,很多重要算法都已经开发出了量子算法的等价方法,如在电子计算机中被认为非常难以计算的RSA秘钥破解算法,以及计算机领域非常根本的线性方程组求解算法。理论上,所有电子计算机上使用的算法都可以找到等价量子算法,它们中的多数都能够利用量子比特的特性实现加速。

但量子计算机非常难以制造,主要因为量子态存在于极为微观的尺度上,对量子比特的操作极为困难。目前主要是使用极低温情况下用超导技术来实现,也只有一些大机构,如谷歌、IBM等花费数亿美元才能做出一台非常初级的量子计算机,目前最多的能够达到200多个量子比特,仍然太少了,大约需要1百万个量子比特才能破解现在的主流密码,这差的还是太远。

当前搞量子计算的,除了少数大公司能够砸钱赚吆喝做做硬件,其他多数人都是在做量子算法的开发,就是假设有了量子计算机,我开发一种什么样的算法能够最好的使用量子计算机,属于一种预先研究的范畴,都是短期内不会有什么实际作用的。当然,作为一种技术储备还是有必要的,毕竟二战时发明的第一台电子计算机也非常的原始和低能,是后来半导体技术、集成电路的出现才有了今天的信息时代,谁知道哪一天会不会突然发明一种高效的量子器件呢?

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