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九章“问世”了 你知道什么是量子计算机吗?
央视网2020-12-06 10:23

  12月4日,《科学》杂志公布,中国研究团队构建的量子计算机“九章”,实现了对玻色采样问题的快速求解,其计算速度比目前最快的超级计算机快一百万亿倍!

量子计算机刷屏全网

网友们都为之骄傲欣喜

但一打开文章

大部分朋友看完都只能留下一地问号:

“每个字我都认识但……”

“量子计算机为啥这么快?”

别担心!

这里有一份“小白”友好解疑书

深奥的话咱们通俗地说

(本文不涉及任何理论公式和学术探讨……

因为小编也不是专业的!)

0 1 量子计算机是计算机吗?

首先,用一句话来概括什么是量子计算机:

量子计算机是一种使用量子力学的计算机,它能比普通计算机更高效地执行某些特定的计算。

所以说,量子计算机是一种计算机,但它不是简单的“进阶版”计算机。和我们现在所理解的“电脑”差别很大——两者的计算形式不一样。

 举个例子��:

如果经典计算机是蜡烛,量子计算机就是电灯泡,二者都是为了发光,但是点亮方式不同、照亮范围也有区别。即使你不断改良蜡烛,也做不出来电灯泡。

目前的量子计算机使用的是如原子、离子、光子等物理系统,不同类型的量子计算机使用的是不同的粒子,这次的“九章”使用的是光子。

200秒只是短短一瞬,6亿年早已是沧海桑田。

“九章”量子计算机是如何通过量子计算达到“超快”的计算速度的?

02 量子计算机如何“超快”计算?

量子计算机的“庞大储存量”

首先来看一下,经典计算机与量子计算机的储存方式↓

经典计算机

用一系列的0和1来存储信息。0和1系列中的每个单位被称为比特,一比特可以被设置为0或1。

量子计算机

量子计算机用量子比特来存储信息。每个量子比特不仅能设置为1或0,还可以设置为1和0

可以简单理解为,量子计算机每个单位储存的信息更多。

这究竟是什么意思呢?

 举个例子��:

  • 请你想一个1到10之间的数字,然后用一只手表示出来。一只手每一次只能表达一个数字

这就是经典计算机存储数据的根本规律。只不过计算机比我们的手指头更快,但它的一个比特位,仍然只能存储一个二进制数。

但是,如果换成量子计算机,那表达数字的方式立即就被颠覆了

  • 再比如,一只手能表达出10个数字。但手伸出来之前,会表示哪个数字,是不确定的。

这正是量子计算机的存储单元——量子比特的存储方式。它储存的不是具体的数据,而是所有可能出现的数据的出现概率。

手在伸出之前都具有不确定性。但量子比特将所有可以用这只手表达的数字,全部都叠加在一起了。你只用了一只手,就存储10个不同的数字,每个数字出现的概率都是10%。

一只手能表达出的数字很有限,同时存储10个数字,算不上什么神奇的事情。但不断扩大,10只手、100只手,都能够全部叠加储存到量子比特中,这就是量子比特的威力所在。

量子计算机因而能够同时承载更多内容。普通的计算机单元一次只能处理一个比特;量子计算机则可以一次处理1个“量子比特”,从而使处理速度大大提升。

量子世界本质上是平行的

量子计算机不光有强大的储存能力,它的并行计算的能力也十分强大。就像在房间内开灯,光可以在一瞬间穿过墙壁上的所有缝隙。量子计算机能够进行高速并行的量子计算,就是这个原理。

 举个例子��:

假设有一个黑盒子,左边伸出1000根电线头,右边也伸出1000根电线头,但其实只有1根电线是连通的,请问,你该如何找到这根连通的电线呢?

答案需要尝试1000×1000次,也就是要100万次才能找到答案。

但如果用量子计算机解决这个问题,就简单多了。

△量子计算机的实际操作过程

刚刚我们说过,量子比特的存储是所有可能的数字叠加在一起存储的。那么从1到1000,其实就只是一组量子比特而已。也就是说,只需要一次计算,量子计算机就同时把所有的可能都考虑进去了。它可以一次性地找到那根连通的电线。通过并行计算,实现了100万倍的效率提升。

这量子计算机到底怎么算,你看(mei)懂(kan)了(dong)吗?

03 为何“九章”如此重要?

“九章”的问世是我国在量子科技领域实现的又一飞跃,它的意义是多方面的。

首先是在计算机、IT和数学领域,如实现“量子计算优越性”,在某个特定问题上的计算能力远超现有最强的传统计算机。此外,它还可以通过量子计算机建立量子通信网络和量子互联网等。

其次,在实用性上,量子计算机有广阔的空间和范围,如密码破译、大数据优化、材料设计等,都可以获得量子计算机的支持,从而解决重大的国计民生问题,并产生巨大的经济价值。正如有科学家预言,量子计算机会被广泛使用,甚至每个人都可以使用。

同时,量子计算机的发展,会为人工智能加持,从而减少AI应用方面的错误,并创造出允许早期诊断问题的智能系统。

值得一提的是,它还与药物研发息息相关。如果运用量子计算机,只要其计算速度快过经典计算机100~1000倍,就有可能让筛选药物前期分子的效率提高到90%以上,费用也更为减少。不过,能否获得真正有效的药物分子,还要看后期的生物实验。

此外,量子计算机的快速运算还有平常却广泛的运用。例如,送货车如何选择最有效率的路线送货,可以借助量子计算机的帮助。这也绝非“大材小用”。

04 量子计算离实用还有多远?

对于量子计算机的研究,本领域内的国际同行公认有三个指标性的发展阶段:

  • 第一阶段,对于一些超级计算机无法解决的高复杂度特定问题实现高效求解,实现计算科学中“量子计算优越性”的里程碑。

  • 第二阶段,研制可相干操纵数百个量子比特的量子模拟机,用于解决若干超级计算机无法胜任的具有重大实用价值的问题(如量子化学、新材料设计、优化算法等)。

  • 第三阶段,研制可编程的通用量子计算原型机

经典计算机从专用机发展到通用机,走过了几十年历程,现在的量子计算机就还处在最早期的专用机时代。就算是最快的“九章”,也只跨越了第一阶段。但不可否认,“九章”的问世是一个巨大的鼓舞,未来可期。


量子时代,你期待吗?

  稿源: 央视网 )
  作者: )
  编辑: 卢丙武 )
 
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