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量子计算将改变人类认识微观世界的方式

2020-02-13 09:10:20 来源:人民网-人民日报
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前段时间,美国国际商用机器公司(IBM)推出了53量子比特的量子计算机,并计划向外部用户开放使用。谷歌公司则发表论文称,成功让量子系统花费约200秒完成了传统超级计算机要1万年才能完成的任务。量子计算机的发展引发人们越来越多的关注。

与主宰宏观世界的经典力学不同,微观世界遵循量子力学原理。微观粒子有一些有趣的现象,第一个现象是叠加态。在宏观世界中一个物体在某一个时刻只能处于一种状态,比如一个人在一个时刻只能处于一个地方。但在微观世界中,一个粒子可以同时处于两种不同的状态中,好比一个人在同一个时刻可以既在北京又在巴黎。这种叠加态在宏观世界不可想象,但在微观世界里,科学家反复观察到了同一个粒子处于两种截然不同状态中的现象。更有趣的是,如果对这个粒子进行操作,会对它同时所处的两个状态都有影响,好比发出“举手”的指令时,在北京的这个人会举手,同时在巴黎的他也会举手。

第二个是观察和测量。在微观世界,对同一物体同一状态用相同方法测量,每次测量的结果可能都会不一样,也就是说结果不确定。更麻烦的是,测量之后被观测物的状态会发生改变。

第三个是量子纠缠,是发生在两个或更多个物体上的一种特殊状态,在这种状态下,多个物体彼此“分不开”,一个变化另一个就变化。比如,微观叠加态下,一群人既在北京又在巴黎开会,而且如果测量了其中一个人的位置是在北京,那么所有人都在北京了;如果测量的那个人的位置是在巴黎,那么所有人又都在巴黎了。在微观世界,物质呈现的性质与人们日常生活的直觉完全不一样。这些在微观世界中的新奇现象被精确的实验反复验证。

我们接着再来看看计算。计算可以理解为,有一个输入,也有一个指定的输出,中间环节是计算的过程。不同的计算问题难度不一样,比如两个数字相乘并不难。反过来,把一个大的数字分解成两个数字,难度就大大增加了。人们能想出来的大数分解算法都有很高的复杂度,以至于人们认为也许大数分解这个计算问题本质上就很难。计算困难成为了现代密码学的基础,广泛应用于互联网和电子商务等领域。1994年,贝尔实验室的科学家肖尔发现,使用量子计算机可以让大数分解变得很快。经典计算机很久都算不出来的数字,量子计算机很快就能解决。数字越长,这种优势就越明显。这将对现有的密码学造成很大影响。

现在已经发展出了很多量子算法。大体而言,量子算法利用了叠加态带来的天然的并行计算能力,利用不同的路径可以一起工作的优势,同时克服量子计算只能进行旋转变换、测量的不确定性和破坏性等困难。需要指出的是,在一些计算问题上,量子计算并没有优势,或者优势非常有限。所以,对哪些计算问题有优势,优势有多大,如何利用这个优势,是量子计算的根本性问题。

量子计算被视为加速人类计算能力的重要入口。量子算法在数论、线性代数、组合、优化、量子系统模拟、化学等方面展现出了越来越多的优势。另一方面,量子算法需要在量子计算机上运行。近20年,量子计算机在多个方向上均取得了稳步的进展。这些量子科学理论和软硬件领域的突破进展,会给云计算、人工智能、药物、材料研发等多个关键领域带来颠覆性革新。比如,用更快的人工智能算法,以及通过云的方式提供更快的计算,可以加速药物分子的研发和新材料的设计。量子计算会大大改变人类认识自然尤其是微观世界的方式,产生深远的影响。

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