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"通俗语言"颠覆常规理念 揭有关量子的9大事实

http://www.kexue.com 2013-07-19 09:49:22 腾讯科学  发表评论


通俗易懂的语言介绍有关量子计算学科的9个事实

  北京时间7月19日消息,美国科技资讯网站SAI周三刊登长篇文章,以通俗易懂的语言介绍了有关量子计算学科的9个事实。

  量子计算机并不是用来浏览互联网、收发邮件,也不是用来运行常规软件。相反,量子计算机的基础为量子力学。量子力学为物理学的一个分支,该学科创立时间已有100年左右,并对人们的传统看法发起挑战。量子物理学研究对象为很小的事物,如电子和光子等,并试图解决人们此前没能解决的问题。

  从某种程度上讲,量子计算也具有了像自然界那样同世界互动的能力。这可能是一种今人感到难以理解的深奥想法。即便如此,这也仅仅是量子计算机的冰山一角。

  1、量子计算机依靠量子力学来运行,而量子力学非常“疯狂”。

  与我们肉眼所看到物体的运动规则相比,量子粒子的运动规则却大为不同。举例来说,量子粒子能够同时存在于两个地方,能够快速前进或后退,甚至能够进行所谓的瞬间移动,也就是物理学家们所说的“量子隧道效应”(quantum tunneling)。

  这通常是我们在科幻小说中所看到的东西。但在量子世界中,这些现象可谓寻常之极。而科学家们也无法对此给出令人满意的答案。

  2、没有人能够真正了解量子计算机的内部会发生什么。
一个被外界所熟知的量子力学理念(也适用于科学的普通法则),就是对某种活动的简单观察,将会改变事情的结果。我们受限于我们所使用工具的准确性,而这一点对于科学家们敏锐的眼光而言尤为适用。一个量子粒子被观察或以其他方式被测量后,则该量子粒子的属性将永远改变。

  3、忘掉0和1的数字位——量子计算机使用“量子位”(qubit),而这种事情足以让人充满“狂野”思想。

  就你的个人计算机核心而言,无疑是通过数位来处理——分别代表0和1的数字位,仅此而已。而量子计算机则使用量子位来实现其运行。与数字位一样,量子位能够代表0或1,但其真正神奇之处,还在于它们的第三种状态,即“叠加”状态——它们能够同时代表0或1。

  这种神奇的能力也就意味着,同一列量子位能够同时代表大量不同事物。举例来说,如果你组建了两个量子位,则他们能够同时保持四个可能的数值:[0, 0]、[0, 1]、[1, 0]或[1, 1]。
这是否开始变得有点难以理解了?这也没什么。一些以研究量子力学谋生的聪明人,其实也与我们一样对此感到难以理解。

  4、量子计算机能够解决传统计算机根本无法或难以解决的问题。

  在解决优化问题时,量子计算机就能够大放光彩。由于一些优化问题过于复杂,如果交由传统计算机来处理,可能会上大量时间,如数十亿年之久。

  一个经典例子就是“旅行推销员问题”。想像一下,你眼前的地图上有一大堆城市,并显示出各城市之间的距离。你是一名销售员,正试图找出可走遍每个城市的最短路线。要让传统计算机来解决这个问题,唯一的办法就是记录下每一条可能路线的距离,对它们进行比较后找到最短线路。然而这并不是很“潇洒”的解决方式。

  我们还记得,量子位可同时代表一个以上的事物。这也就意味着一台量子计算机能够同一时间尝试无数个可能的路线,并能够在数秒钟内向你返回最短路线的答案,而不用花上地质学纪年意义上的时间。

  5、一些人认为量子计算机正在平行宇宙中运行计算。

  没有人能够确认让一个量子位同时代表一个以上事物的机制。它是奇异量子的天性,并颠覆了人们此前对于事情的理解。只是我们不理解,并不意味着事情没有发生。科学家们对于这种可能性有各种各样的见解。我们最能够接受的是多宇宙理论,即理论物理学声称存在着多重(很可能是数量无限)平行宇宙。
在这种模式中,正解决旅行推销员问题的量子计算机,其实很可能在平行宇宙中运行计算,并追踪在其他宇宙中的潜在线路,目的是大幅减少解决此问题所需计算时间。

  6、你的个人电脑能够像超级昂贵的量子计算机那样做很多事情。

  考虑到量子计算机能够找到解决问题的最优化方案,它也依赖你每天所使用电脑中的一些基础数学工具。这通常是指已经过优化的基础算术。增加一堆数字并不比将它们加起来高明多少,将数字相乘并不比将他们简单做乘法高明多少。在此类例子中,你的个人电脑效率将与量子计算机一样具有高效率。

  7、随着量子计算机易用性加强以及售价降低,它将给数据加密带来变革。

  除解决一些优化问题外,量子计算机将使我们当前有关加密和数据安全的理念得以彻底颠覆。今后任何两个人之间的通话联系,所使用加密技术实际上将无法破解。

  8、量子计算机必须在保持极端低温下才能正常运行。

  开氏(Kelvin)温标,或者所说的“绝对零度”,也是可测量的最冷温度。根据动力学理论,当温度在绝对零度时,单个原子的动能为零,原子停止运动后,它们也就停止产生热能。美国D-Wave公司所生产量子计算机,其内部温度保持在0.02°K,相当于华氏温标-460°F。

  9、量子计算机运算速度之快远超乎你的想像。
美国阿姆赫斯特大学教授凯瑟琳·麦克杰奥奇(Catherine McGeoch)对量子计算机和传统计算机运行速度进行了对比。让这两种设备分别处理同一任务后,麦克杰奥奇得出结论称,量子计算机的运行速度为传统计算机的“数千倍”。(中涛)

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