量子計(jì)算機(jī)，到底有多神奇？
D-Wave One內(nèi)部圖
2011年5月11日，D-Wave公司發(fā)布了一款號稱“全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)”D-Wave One
文·本報(bào)記者 劉 恕 綜合報(bào)道
量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢在于大幅縮短提取用戶所需信息的時(shí)間，它可以在幾天內(nèi)解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會花費(fèi)數(shù)百萬年才能處理的數(shù)據(jù)，因此未來的應(yīng)用前景十分令人神往。
日前，谷歌量子人工智能實(shí)驗(yàn)室宣布量子計(jì)算機(jī)最新進(jìn)展：在兩次測試中D-Wave2X的運(yùn)行速度比傳統(tǒng)模擬裝置計(jì)算機(jī)芯片運(yùn)行速度快1億倍。
經(jīng)過與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的比較，谷歌稱已證明其量子計(jì)算機(jī)確實(shí)可執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算。
谷歌工程技術(shù)主管哈特馬特·納文表示，“這是一個(gè)值得我們歡欣鼓舞的結(jié)果，不過要將量子計(jì)算機(jī)帶入我們的日常生活，技術(shù)人員們要做的工作還有很多。”
那么量子計(jì)算機(jī)到底為何物呢？讓我們一起走近量子計(jì)算機(jī)，揭開它神秘的面紗。
讓計(jì)算速度“飛”起來
正如電影《異次元駭客》中演繹得那般，在科技發(fā)達(dá)的時(shí)代，科學(xué)家們可以通過強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)虛擬出一個(gè)城市，虛擬城市中的科學(xué)家又虛擬出一個(gè)城市。不管是第一層虛擬或者第二層虛擬，其中的人類生活得怡然自得，他們有思想，有感覺。沒有人去懷疑世界的真實(shí)性，完全不知道自己是個(gè)人工智能。
事實(shí)上，完成如此巨大模擬并不是一件容易的事情。一個(gè)人類個(gè)體本身所具有的全部特點(diǎn)、微小的變化以及本身細(xì)胞之間的各種間接的作用聯(lián)系，還有環(huán)境溫度、大氣變化等等將是一個(gè)難以估量的龐大數(shù)據(jù)，通用計(jì)算機(jī)將很難實(shí)現(xiàn)完全模擬，這就需要量子計(jì)算機(jī)來完成。
據(jù)來自蝌蚪五線譜的文章稱，人們研究量子計(jì)算機(jī)最初很重要的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)是探索通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算極限。早在1982年，頗有遠(yuǎn)見的美國著名物理物學(xué)家理查德·費(fèi)曼在一個(gè)公開的演講中提出利用量子體系實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算的新奇想法。1985年，英國物理學(xué)家大衛(wèi)·杜斯提出了量子圖靈機(jī)模型。理查德·費(fèi)曼當(dāng)時(shí)就想到如果用量子系統(tǒng)所構(gòu)成的計(jì)算機(jī)來模擬量子現(xiàn)象則運(yùn)算時(shí)間可大幅度減少，從而量子計(jì)算機(jī)的概念誕生了。
目前，我們所有的計(jì)算機(jī)體系都是基于馮諾依曼式的組織結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行速度的增長已經(jīng)明顯放緩，對于大規(guī)模數(shù)據(jù)的分析計(jì)算效率也很難再提高。量子計(jì)算的提出，則是旨在專門為復(fù)雜問題的求解設(shè)計(jì)一種全新的計(jì)算機(jī)體系，即所謂的量子計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算機(jī)是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲及理量子信息的物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是量子計(jì)算機(jī)。
谷歌日前宣布D-Wave量子計(jì)算機(jī)在解決問題時(shí)能夠比其他任何計(jì)算機(jī)都快出1億倍，并且能夠極大地推動(dòng)人工智能的進(jìn)步。據(jù)悉，谷歌此次宣布的重要佐證就是“量子退火”算法。這種算法確定了當(dāng)面臨一系列潛在解決方案時(shí)一個(gè)特定函數(shù)的全局極小值，即在給定一系列選項(xiàng)時(shí)，它能夠確定完成一個(gè)任務(wù)所需的最優(yōu)解決方案。谷歌對D-Wave計(jì)算機(jī)的量子計(jì)算法與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上模擬量子隧道效應(yīng)的算法進(jìn)行了比較，量子計(jì)算機(jī)再次獲得了完勝。
基于量子計(jì)算的機(jī)器，由于體系結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，將采用全新的算法，這使得大規(guī)模數(shù)據(jù)的計(jì)算與存儲不再成為難題。業(yè)界人士認(rèn)為，量子計(jì)算機(jī)的巨大突破將為云計(jì)算和大數(shù)據(jù)處理乃至整個(gè)計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域帶來一場變革。
并行計(jì)算是最大優(yōu)勢
其實(shí)，量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算原理和薛定諤的貓是一樣的，利用的都是“量子疊加態(tài)”。這意味著計(jì)算機(jī)能同時(shí)嘗試所有可能的解，以遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的速度進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。
按照傳統(tǒng)算法，當(dāng)用戶需要提取某一個(gè)詞組信息或者需要解決一個(gè)問題時(shí)，計(jì)算機(jī)要先把所有可能性列舉出來并驗(yàn)證一遍才能得到正確的信息，而量子計(jì)算機(jī)能夠直接計(jì)算并提取出相應(yīng)信息。這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算，也是量子計(jì)算機(jī)最重要的優(yōu)越性。
量子計(jì)算的神奇之處在于，它可以做到真正的并行計(jì)算與存儲。例如，一個(gè)數(shù)位的經(jīng)典存儲器可以存儲兩個(gè)數(shù)字0或者1，但在某一時(shí)刻這個(gè)數(shù)字要么是0要么是1；而對于量子比特存儲器來說，在同一時(shí)刻，它可以同時(shí)存儲0和1，其存儲和運(yùn)行能力都成指數(shù)上升，一個(gè)250量子比特的存儲器可以存儲的數(shù)字比我們已知宇宙所有的原子數(shù)還多。
想像一下，你被要求5分鐘內(nèi)在國會圖書館某一本書的某頁上找到一個(gè)字母“X”，這幾乎是不可能的，因?yàn)槟抢镉?000萬冊書。但是如果你處于5000萬個(gè)平行現(xiàn)實(shí)中，每個(gè)現(xiàn)實(shí)都可以查看不同的書籍，你肯定能在其中某個(gè)現(xiàn)實(shí)中找到這個(gè)“X”。在這個(gè)假設(shè)中，普通計(jì)算機(jī)就是像瘋子一樣的那個(gè)你，需要5分鐘內(nèi)找遍盡可能多的書。而量子計(jì)算機(jī)卻能將你復(fù)制出5000萬個(gè)，每個(gè)只需翻找一本書即可。
這是量子計(jì)算機(jī)公司D-Wave聯(lián)合創(chuàng)始人埃里克·勒迪辛斯基對其應(yīng)用前景的解釋。谷歌和NASA聯(lián)合研究的量子計(jì)算機(jī)，其實(shí)就是從這個(gè)公司購買的。2013年，谷歌從D-Wave系統(tǒng)公司購買了一臺量子計(jì)算機(jī)，并與NASA共同開展量子計(jì)算機(jī)的研究項(xiàng)目。D-Wave系統(tǒng)公司自2007年推出首臺量子計(jì)算機(jī)開始就備受爭議。一些學(xué)者認(rèn)為由于量子形態(tài)并不穩(wěn)定，量子計(jì)算機(jī)只是在理論層面可行。然而這次，谷歌和NASA一同證實(shí)了量子計(jì)算機(jī)的可操作性。
顛覆你未來的生活
谷歌宣布D-Wave2X的速度達(dá)到了傳統(tǒng)芯片的1億倍，實(shí)在是令人驚嘆。量子計(jì)算機(jī)最大的優(yōu)勢莫過于大幅縮短提取用戶所需信息的時(shí)間，因此它被認(rèn)為可以在幾天里解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)會花費(fèi)數(shù)百萬年時(shí)間才能處理的數(shù)據(jù)，未來的應(yīng)用前景十分令人神往。
現(xiàn)在的天氣預(yù)報(bào)大多是基于探測數(shù)據(jù)的推測，很難保證準(zhǔn)確。但量子計(jì)算機(jī)可以一次分析所有數(shù)據(jù)，向我們提供更好的模型，精準(zhǔn)地顯示惡劣天氣會在何時(shí)何地出現(xiàn)。我們可以提前預(yù)測颶風(fēng)等極端天氣，從而預(yù)留足夠的時(shí)間拯救生命。
每天出行GPS可以幫你優(yōu)化出最佳線路，但如果有了量子計(jì)算機(jī)，我們可以把整個(gè)城市甚至整個(gè)地球上所有人的出行計(jì)劃全都輸入進(jìn)去，讓它計(jì)算出最優(yōu)解，從而讓人們徹底告別交通擁堵。
在研發(fā)藥物方面，量子計(jì)算機(jī)能夠描繪出數(shù)以萬億計(jì)的分子組成，并將其中最可能有效的組合快速識別出，顯著降低藥物的研發(fā)成本和周期。
在探索太空方面，量子計(jì)算機(jī)可以處理望遠(yuǎn)鏡視野中更多的數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)更多的行星，并迅速識別出最有可能存有生命體的行星。
盡管實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用還有很長的路要走，但各大公司對量子計(jì)算機(jī)的研究絕不會停止，因?yàn)樗茴嵏舱麄�(gè)世界。一旦計(jì)算速度出現(xiàn)質(zhì)的飛越，我們生活的方方面面都會被改變。
“落地”仍面臨諸多難題
既然量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)研制成功，那為什么現(xiàn)在還沒有普及呢？因?yàn)椋倪\(yùn)行條件要符合三個(gè)條件：真空環(huán)境、絕對零度和磁場保護(hù)。
量子力學(xué)是研究微觀尺度的科學(xué)，要想控制計(jì)算機(jī)的量子位，其實(shí)就是需要操縱單個(gè)原子，因此條件是非�？量�。原子在常溫下的速度高達(dá)到數(shù)百米每秒，只有讓原子保持在極低的溫度狀態(tài)，才能受控制。所以量子計(jì)算機(jī)D-Wave2X處理器溫度一直穩(wěn)定在-273℃，只比宇宙絕對零度高0.015℃而已。
除此之外，量子計(jì)算機(jī)還要放到比地球磁場弱50000倍（基本相當(dāng)于沒有磁場）、大氣壓比地球小100億倍（基本相當(dāng)于真空）的環(huán)境中，以保持量子態(tài)的穩(wěn)定。
除了對環(huán)境要求嚴(yán)格，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際落地推廣方面也會遇到一些障礙。由于量子計(jì)算機(jī)的計(jì)算方法完全不同，因此編程的方式也完全不同并且更加復(fù)雜。這意味著，對于程序員來說，要掌握一套比現(xiàn)有算法更為復(fù)雜的編程方式。
當(dāng)然，計(jì)算機(jī)還有許多需要克服的技術(shù)問題，比如量子的不穩(wěn)定性決定信息狀態(tài)不穩(wěn)定，這將影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性。
事實(shí)上，實(shí)現(xiàn)對微觀量子態(tài)的操縱確實(shí)太困難，但這并不能妨礙人們進(jìn)行大膽地探索與設(shè)想，也許不久的將來量子計(jì)算機(jī)就會出現(xiàn)在我們的生活中。
■相關(guān)鏈接
科學(xué)家嘗試用量子計(jì)算機(jī)創(chuàng)造時(shí)間旅行
據(jù)國外媒體報(bào)道，如果宇宙允許開放類時(shí)曲線，那么旅行者就不可以通過時(shí)間旅行回到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，這樣的曲線無法與過去產(chǎn)生任何相互作用。目前科學(xué)家試圖利用量子信息驗(yàn)證這樣的能力，事實(shí)證明一個(gè)未打開的消息是非常有用的。如果實(shí)驗(yàn)者發(fā)送過去實(shí)驗(yàn)室的糾纏信息，未來是否能夠收到？糾纏是一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，只在量子物理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)，它創(chuàng)造了時(shí)間旅行各系統(tǒng)之間的相關(guān)性，這些相關(guān)性可幫助量子計(jì)算。
谷歌的研究人員戴維·培根在10年前就提出可以利用量子計(jì)算機(jī)快速解決一批問題，廣義相對論可以通過時(shí)空扭曲創(chuàng)造封閉類時(shí)曲線，比如蟲洞。但物理學(xué)家認(rèn)為必須停止這樣的機(jī)會出現(xiàn)的，因?yàn)檫@會威脅到因果關(guān)系。一個(gè)經(jīng)典的例子是，一個(gè)人可以回到過去，殺死自己的祖父，否定自己的存在。
在過去的二十年內(nèi)，研究人員已經(jīng)在量子物理學(xué)領(lǐng)域嘗試著打破封閉類時(shí)曲線，因?yàn)榱孔泳哂心：院筒豢煽寺《ɡ怼Ｐ碌难芯勘砻�，量子�?jì)算機(jī)可以解決這類問題，即使我們沿著開發(fā)的類時(shí)曲線，也不會產(chǎn)生因果關(guān)系，這樣可以避免諸如祖父悖論情況出現(xiàn)。
責(zé)編：微科普