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【创作培育计划】量子计算到底是啥?

[ 来源: 科普中国-创作培育计划 | 作者: 周雷 | 发布时间:2022-08-03 | 浏览:376次 ]

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审核:中科院量子信息与量子科技创新研究院 超导量子计算团队 黄合良

“遇事不决,量子力学”大概是很多人对于量子科技的第一印象。有些人认为这是骗人的玄学,有些人认为这是无所不能的未来科技。量子科技到底是啥?通过量子科技实现的量子计算到底强在哪?

简单来说,量子就是能表示物质特性的物质最小单元的统称。我们中学课本学到的分子、原子和电子其实都是量子的不同形式。比如,水分子就是水的量子,再通俗一点,男团成员就是男团的「量子」。量子力学研究的就是这些最小单位的运动规律。量子科技就是研究如何把微观物质的运动规律,运用到宏观生活的科学技术。

这项技术到底有什么神奇的地方呢?很多人可能听说过“薛定谔的猫”,就是那只既是生又是死的猫咪。这就是量子特征之一,叠加态。在宏观世界我们的状态都是确定的,也就是说,同一时间我们只能出现在一个地方。而在量子世界里,在不被观测的情况下,你可以既在北京又在上海,既在摸鱼又在工作。

另一个特征是纠缠态。简单来说就是,两个“纠缠”的量子会产生“心电感应”,不管隔多远,它们的状态会保持链接。比如,有两个纠缠的电子,你观测到其中一个电子在“下旋”,那么不管隔多远,另一个电子必定在“上旋”。就好比有一双手套,不管这两只手套在哪,如果你手上的是左手套,那么另外一只必定是“右手套”。

量子计算机就是把这两项特性运用在计算领域的产物。

传统计算机处理数据都是靠芯片中晶体管的「开关」来实现,「开」代表1,「关」代表0。这就是我们说的比特,一个晶体管代表一个比特位。同一时间,一个比特位只能表示1或0。也就是说,假如电脑芯片中只有2个晶体管,它们就只能表示00、01、10、11其中一种。如果把晶体管换成量子,也就是量子比特,情况就不一样了。根据量子的叠加态的特性,一个量子比特既可以是1,也可以是0。所以两个量子比特可以同时表示00、01、10、11。信息量一下翻了4倍。

传统计算机中用于计算的比特相当于男团成员,在表演时每个成员都有明确的角色,而量子比特可以同时把唱、跳、Rap、篮球全都搞定。

量子计算机还有一项传统计算机没有的技能,并行运算。拿破解密码来说,把佐助比作传统电脑,鸣人比作量子计算机。两人同时破解一个4位数的数字密码,佐助的操作方式是线性运算。通俗讲就是,一个个试,从0000试到9999。运气不好密码刚好是9999,就得试一万次。而鸣人可以使用影分身,同时试多个密码。量子比特越多,并行处理的运算越多。

有了并行计算,密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等需要大规模计算的领域都会有飞跃式发展。

2019年9月,谷歌公司研制了一个包含53个量子比特的量子芯片,执行一个特定的计算任务用了3分20秒,而对于同样的任务,采用目前最强的超级计算机并且经过理论优化后,完成这项任务也需要2.5天。我国目前研发出的量子计算机系统,计算能力比谷歌的还要强100万倍。

发展量子计算机,一方面是因为它颠覆的计算能力,另一方面量子计算机其实是突破芯片物理极限的一种方式。按照目前集成电路的发展,在可预见的未来,芯片的性能就会遇到物理极限。当硅基芯片突破1nm 之后,量子隧穿效应将使芯片失效。

除了看起来离我们的生活还有些距离的量子计算机之外,量子科技其实还可以应用到很多领域,原子弹、激光、核磁共振、晶体管等技术都是量子科技的产物。目前我国已经开通了世界首条量子保密通信干线“京沪干线”,实现世界首次洲际量子保密通信。量子通讯与量子计算机构成的「量子互联网」,可以让我们的生活更加智能、安全。此外,更加精密的量子测量在科研、医疗、能源、灾害防御等领域都能派上大用场。未来,我们生活的方方面面都可能离不开量子科技。