來源:微軟研究院AI頭條 時間:2019-02-15 14:42:23 作者:
Δ圖靈獎得主、清華大學(xué)交叉信息研究院教授兼院長姚期智
盡管量子計算已經(jīng)被談?wù)摿撕芏嗄?,很多計算機科學(xué)家仍然覺得它是一個非常神秘的事情。但在未來計算機領(lǐng)域,量子計算將是最令人興奮的發(fā)展之一。什么是量子計算?它為什么如此令人興奮?它比傳統(tǒng)計算機又強大在哪里?今天,我們一起來了解一下崛起中的量子計算。
什么是量子計算?
當(dāng)圖靈和其他計算機探索者在研究計算機的時候,人們覺得自己已經(jīng)知道計算的極限是什么了。但在1981年,物理學(xué)家理查德·費曼提出了一個問題“計算機能否有效地模擬量子物理系統(tǒng)?”
如果使用經(jīng)典計算機來模擬,需要數(shù)百萬年才能完成模擬。但是如果拋開傳統(tǒng)的計算機原理,使用量子材料,或許可以創(chuàng)造出一種新的計算機,獲得一種新的計算模式。這就是量子計算機。
有別于經(jīng)典計算機使用二進制比特作為輸入,量子計算機輸入的是量子比特,可以表示經(jīng)典的0、1狀態(tài),也可以表示更多的狀態(tài)。量子設(shè)備是一種模擬設(shè)備。對于傳統(tǒng)計算,輸出的結(jié)果就是最后的數(shù)字,而在使用量子設(shè)備做計算的時候,需要對輸出結(jié)果進行專門的測量,最后才能得到輸出。
傳統(tǒng)計算機和量子計算機的運行方式也不同。傳統(tǒng)計算機中的主要計算方式是使用布爾運算操作普通比特,而量子計算機是在量子空間里對量子比特進行模擬操作,來模擬量子狀態(tài)。
什么使得量子計算如此強大?
在量子世界里,由于量子比特的量子疊加態(tài)特性,量子計算機擁有了并行計算的能力。
那么量子計算到底有多強大呢?舉個例子,如果我們對四百位整數(shù)進行因式分解,現(xiàn)在最快的超級計算機也需要六十萬年,如果是做量子計算機,只需要幾個小時,甚至有人說幾分鐘就可以做到。當(dāng)然,量子計算機能做的不僅僅是整數(shù)的因式分解,我們希望能夠做出大型的量子計算機,解決很多現(xiàn)在做不了的事情,比如密碼破解,模擬量子物理系統(tǒng),模擬材料學(xué)、化學(xué)和生物學(xué),以及人工智能中的很多問題。
那么,量子計算機究竟是如何加速計算的?
這個問題可以通過介紹由Peter Shor發(fā)明的大數(shù)分解量子算法來解釋。首先,我們需要回到物理學(xué)的一個分支-X射線晶體學(xué),通過X射線來分析物體的結(jié)構(gòu)。1913年,Braggs父子推導(dǎo)出了X射線的衍射現(xiàn)象的數(shù)學(xué)公式。假設(shè)有一個未知結(jié)構(gòu)的晶體,你從各個角度對這個晶體拍攝了一些x射線照片,現(xiàn)在根據(jù)數(shù)學(xué)公式,你可以恢復(fù)出晶體的結(jié)構(gòu)。這個方法是非常成功的,由此產(chǎn)生了許多諾貝爾獎。
我們是否可以借助于這一方法來分析一個整數(shù)N?利用算法構(gòu)建一個“晶體”,然后利用人工光源,例如X射線,去照射它,得到“晶體”的衍射圖,最后用得到的衍射圖分析出整數(shù)N的“結(jié)構(gòu)”。現(xiàn)在問題是這個“晶體”以及得到的“衍射圖”體積非常巨大。事實上,我們其實并不需要整張圖片,只需要幾個樣本點就夠了,并不需要指數(shù)級的樣本數(shù)。那么如何去進行采樣?根據(jù)光子的波粒二象性,一個光子通過裝置后的概率分布將與經(jīng)典情形相同。因此,我們只需要模擬一個光子透過“晶體”產(chǎn)生的衍射圖。與經(jīng)典計算機相比,量子計算機可以以指數(shù)級的效率完成這個模擬過程,比傳統(tǒng)的計算機快非常多倍。
量子計算最新研究進展
20年前,有一些物理學(xué)家可能會說量子計算機永遠無法實現(xiàn),而20年后的今年,量子計算機已經(jīng)逐漸浮出水面。例如,關(guān)于使用什么東西做量子處理器的問題。20年前,大家說有20種方式做量子計算機,而現(xiàn)在人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)只有幾個選項是潛力比較大的,比如超導(dǎo)量子比特、離子比特、鉆石量子比特、拓?fù)淞孔颖忍?,它們很有可能成為未來做量子計算機的路徑。
所有的技術(shù)方案都有自己的長處和不足。比如,金剛石量子計算機可以在室溫下工作并且擁有固態(tài)的晶體結(jié)構(gòu),容易進行擴展;超導(dǎo)方案目前在可操作的量子比特數(shù)上方面是領(lǐng)先的,但是必須在低溫環(huán)境下工作;拓?fù)浞桨赣懈玫募m錯能力,但是目前進展比較緩慢。
目前,量子計算已經(jīng)成為了一個主流研究方向,學(xué)界對這一領(lǐng)域的相關(guān)獎勵機制也越來越健全,不久的將來我們能看到很多聰慧的科學(xué)家在這個領(lǐng)域鉆研深耕。但是同時,量子計算的發(fā)展在每一個階段都是非常困難的,想要增加量子比特數(shù)需要耗費大量的心血和時間。
為什么量子計算對未來如此重要?在過去的一個世紀(jì),計算機硬件領(lǐng)域有很多的進展,而量子計算的出現(xiàn)使得計算機在非?;A(chǔ)的層面也可以有很多創(chuàng)新。不僅是硬件領(lǐng)域,AI也是量子計算關(guān)注的重點?,F(xiàn)在的面部識別機器已經(jīng)在某些方面超越了人類,量子計算雖然不能全面地和人類匹敵,但也可以在某些方面一較高下。
因為量子計算的出現(xiàn),我們最終可以去預(yù)測未來。至少根據(jù)目前的理解,一旦擁有了量子計算機,人們就能掌握自然中最神秘的部分??梢詫⒆匀蛔鳛榛鶞?zhǔn),看看我們和自然之間到底有多大的差距。
總而言之,量子計算機是一個革命式的產(chǎn)品,它和傳統(tǒng)計算機完全不同,未來我們還會經(jīng)歷一個非常困難的時期。目前,量子計算在世界上多個國家都得到了關(guān)注,以微軟為代表的眾多科技公司也在相繼開發(fā)研究,因為在未來,量子計算將產(chǎn)生巨大的影響,我們完全有理由說未來“量子計算+AI”將成為新的時代主題。這兩大主題的交織下又將產(chǎn)生什么新的應(yīng)用,讓我們拭目以待!
責(zé)任編輯:李蘭松