黑科技 科技 量子计算机时代来临:超乎想象的运算能力

量子计算机时代来临:超乎想象的运算能力

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假使一台千万量子比特(量子位元)的“量子计算机”突然落入超级黑客手中,会发生什么事呢?这绝对会是场灾难!不只你的微博、云端密码被破解,银行安全系统被入侵,数亿人的资产被掏空,国家安全的机密被摊在阳光下,信息揭露的下一步,可能引发难以想像的风暴。

IBM希望15年内让量子比特数突破千万,届时传统电脑耗费“万年”才能计算的线性代数难题,量子计算机在数分钟就可迎刃而解,因此现在密码学的系统必须调整,立即进入“抗量子”时代。

为什么“量子计算机”像只巨兽般无所不能呢?难道它是“超级电脑”的加强版,由更多的位元组成吗?不是的,传统电脑和量子计算机是两种截然不同的资料处理形式。

IBM量子计算机的内部构造,上面的一根根的都是同轴电线。
IBM量子计算机的内部构造,上面的一根根的都是同轴电线。

神秘的量子行为连爱因斯坦都无法接受

传统电脑以位元(bit)的形式处理资料,每一个位元会在两种状态中切换,这两种状态被标为0和1;量子计算机则用量子比特(qubit)来做,它可以0、1的线性组合的叠加态。

量子比特在叠加态(superposition)时,假如把位元的位置以球体标示,南、北极位置分别代表0和1,传统电脑的位元只能在两极之间切换,但若是量子比特叠加时,它能在二维球面上任何位置,不限于南北极。

量子计算机的具体表现,可以用“翻硬币”的量子博弈游戏来想像,一个黑盒子中有一枚硬币,你跟电脑轮流去黑盒子里翻硬币,你可以选择翻或不翻,你和电脑都不会知道彼此对硬币做了什么,数轮下来,打开盒子如果是人头朝上就是你胜,反之就是电脑胜。

如果是古典博弈,你跟古典电脑的胜率各是一半一半,因为古典行为只有翻或是不翻,位元只能以0、1两种方式呈现;但量子计算机不一样,它在黑盒子里可能不直接翻成正或反面,而可能是将硬币“转动”起来,而这个量子转动,不懂量子策略的人无法察觉。最后,只要你一开盖观测,硬币就会变成反面朝上,量子计算机胜率达百分之百。

这听起来非常不可思议,对吧!连爱因斯坦也难以接受量子力学,他曾说:“是不是只有当你在看它的时候,月亮才在那里呢?”这个奇怪问题点出“量子行为过程无法被观测”的神秘性质。没有人知道在黑盒子里,量子计算机到底对硬币做了什么事情,量子具体处在什么位置,只要我们一观测,量子叠加和纠缠等行为便会消失,量子就恢复古典粒子行为。

要了解这个现象,恐怕要读个十几年物理学了。但现在量子计算机都被制造出来,你不如就接受它、用它吧!

量子纠缠带来双指数成长的计算能力

量子的神秘力量不只如此,当粒子处于量子状态时会有纠缠的特性,又称为“量子纠缠”。如同字面上的意思,“纠缠”指的是数个量子绑在一起成为命运共同体,这就是“你泥中有我,我泥中有你”,彼此的状态会连动,力量还能够加乘,同时处理不同于古典电脑的计算。

大家都听过“摩尔定律”,指的是积体电路上容纳的电晶体数量,每隔两年便会增长一倍,大致说明电脑运算能力会呈指数型的成长,即2¹、2²、2³。不过缠绕特性会让量子计算机的计算能力以“双指数成长”,即22¹、22²、22³,这是今年Google量子人工智慧实验室主任Hartmut Neven所提出的,又称为“NevenLaw”。

去年世界最快超级电脑Summit每秒能够执行20亿亿次( 2*10 18)的浮点运算,它的非挥发性存储器(NVRAM)达800GB(gigabyte,10亿位元组)。如果能控制量子彼此纠缠,并经过运算的除错程序,量子计算机就能以40个左右逻辑量子比特,达成“兆”位元( 10 12)才有的运算能力,目前一般认为一个有除错功能的逻辑量子比特,可能需要一千到一万左右的物理量子比特组成。

目前IBM开放5个量子比特供大众使用,只有两位元纠缠而已,今年十月IBM53个量子比特的新机器即将上线,预计有16个量子比特可以直接纠缠。

图左上是IBM20qbits系统,图下是50qbits系统示意图,可以发现量子比特没有全部彼此互联,图右上则是量子处理器的封装照。
图左上是IBM20qbits系统,图下是50qbits系统示意图,可以发现量子比特没有全部彼此互联,图右上则是量子处理器的封装照。

量子难以纠缠是因为粒子是很难达到量子状态,即便达到量子状态,要长时间控制它也不容易,像IBM就采超导体材料制造量子比特,并以微波控制位元,但超导体必须在接近绝对零度(-273.15℃)的严苛环境下运作,亦有相干状态寿命短等许多问题待克服,目前各国科学家还在寻求不同方式突破,主要当然政府也砸钱支持才会有突破。

为了维持超导体的低温,量子计算机下方会装设稀释冷冻器。
为了维持超导体的低温,量子计算机下方会装设稀释冷冻器。

量子计算机的应用:量子通讯、量子金融

目前世界上量子计算机商业运转的进程是IBM量子计算机53位元,去年(2018)Google发表72位元的量子处理器,但并未提供大众使用。量子计算机至少要500位元以上才能逐渐显现威力,并进入量子优势的阶段。尽管量子计算机离商用还有段距离,不过现阶段量子科技已在量子通讯及软件应用上百花齐放呢!

IBM量子计算机实验室,电脑装在白色的罩子中受保护。
IBM量子计算机实验室,电脑装在白色的罩子中受保护。

纠缠的量子之间,当一方状态改变,另一方也会跟着变,所以开发量子网路系统就能增加信息传递效率,因为知道一方的内容,就能得知另外一方的信息。再者因为量子不可测量的性质,如果以量子作为秘密钥匙,任何尝试取得密码的行为,都会造成量子状态改变,因此可确保通讯无法被窃听。

IBM5位元的量子晶片
IBM5位元的量子晶片

在家就能用量子计算机了!跟上前沿科技的第一步,从学写量子计算机程式开始

IBM在2016年就推出IBMQ5五位元量子计算机,供大众在线上体验量子计算机,在家就可以在IBM QExperience上注册帐号,云端连线使用它了!

至今全球约有18万名用户在IBM量子计算机上做超过1千万量子计算机模拟计算,并发表超过150篇量子计算机相关文章。不过目前它没有办法像现在电脑一样友善,有各种软件直接帮你解答,你必须要自己写程式告诉它:问题是什么及如何解决问题。

不过,学习量子计算机的程式语言并不会太难,所以全球目前有许多聪明的高中生也在使用。只是你要懂一点物理与数学,又有Python的程式语言基础,把一些量子概念像是Hadamardgate(Hgate)等概念加入程式中,努力就可以学会。

本文来自网络,不代表黑科技立场,转载请注明出处。

作者: thinkou

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