量子计算 几分钟等于全球计算机100万年

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1、 量子计算机概念特点


【PConline 资讯】2012年诺贝尔奖颁奖典礼圆满结束，今年的诺贝尔物理学奖颁给了量子计算机的研究者。据称，全球所有计算机100万年的工作量，量子计算机只需几分钟就能完成。
　　
       在12月，美国物理学家David Wineland和法国物理学家Serge Haroche将前往斯德哥尔摩分享2012年的物理学荣誉，他们的团队分别做了关于量子计算的研究工作，成功的找到测量及操控单个粒子的方法，并且在测量和操控时能够维持粒子的量子力学性质，他们的研究将推进量子计算机的实现。

什么是量子计算机

　　量子计算机是一种使用量子逻辑实现通用计算的设备。普通计算机存储数据的对象是晶体管电路的状态，而量子计算用来存储数据的对象是粒子的量子状态，它使用量子算法来进行数据操作。

　　当使用普通计算机模拟量子现象时，数据量十分庞大，一个完好的模拟所需的运算时间也相当的长，甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼在1985年就想到用量子系统构建计算机，来模拟量子现象时运算时间可大幅度减少，于是量子计算机的概念诞生了。

量子计算机基础的设计

　　事实上，设计一个量子计算机很容易，主要的系统如下图。典型的计算机大家够熟悉，建造量子计算机的关键在于你需要一些东西将量子理论和典型计算机结合起来。但是目前为止我们还没有很好的接口或者装置来探知和控制粒子的量子状态。

量子计算机结构图

　   量子理论中有一个著名的薛定谔之猫实验，在一个封闭的密室，有一只猫一瓶毒药和一个放射性物质，毒药瓶上有一个锤子，是由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，放出α粒子，触动电子开关，锤子落下砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。也许你会认为只要过足够的时间，一定会有原子核衰变放出α粒子，此时猫是死的。但是量子理论认为，如果不打开密室，我们永远不知道里面的猫是死是活，将永远处于非死非活的叠加态。

薛定谔的猫

　   量子计算机的成败的关键在于量子的状态，如果我们能有效的控制粒子状态，就能实现量子计算。不过到目前为止还没有装置或设备来探知薛定谔之猫密室里面的原子核量子状态，这也是为什么只有打开密室才能知道薛定谔之猫是死是活了。


2、 为何需要量子计算机

       控制量子的方法十分困难，这就是为什么今年的诺贝尔物理学奖颁发给David Wineland和Serge Haroche，他们分别找到测量和操控单个粒子的方法并且还保持着他们的量子物理性质。

　　这项研究将推动超快量子计算机的建立。量子计算机的优势在于强大的并行计算速度。一位量子力学教授表示，现在的计算机毕竟是二进制的，一遇到比较复杂的建模，像准确预测天气，预测更长时间后的天气等等，就会很费力费时；而超快量子计算机就能算，算得超快。

　　因为当许多个量子状态的原子纠缠在一起时，它们又因量子位的“叠加性”，可以同时一起展开“并行计算”，从而使其具备超高速的运算能力。“电子线性计算方式如同万只蜗牛排队过独木桥，而量子并行运算好比万只飞鸟同时升上天空”。

Roadrunner（走鹃）

　   不过就现在看来，我们离量子计算机的出现还很早，一台量子计算机甚至可能会占用整个房间，比现在的超级计算机还要大。而且它几乎肯定会需要现在普通的计算机，来控制这些粒子的量子状态、管理低温冷却器以及各种设备。但如果科学家能够精确地探知控制粒子状态，量子计算机将提供比现在的超级计算机不能达到的计算能力。

英特尔晶体管研制计划

　   此外，传统计算机存储信息是通过接通或关断的电流，通过蚀刻在硅芯片的晶体管的状态来存储信息。传统数字1表示通过让电流的流过。数字0表示的保持电路的断开。每一年，英特尔，IBM、AMD和Nvidia等都在如何减小晶体管制程工艺上下文章，在有限的空间里放置更多的硅晶体管，以便存储更多的信息。不过工程师都知道这会有一个物理极限。最终，摩尔定律，集成电路的晶体管数量大约每18个月增加一倍，将会成为历史。因此寻找储存信息的方法也是个企业研究的重要方向。

3、IBM原子存储技术

　　例如今年年初IBM就提出来直接利用原子磁矩的方向组合来存储计算机语言中的0和1。提到存储，比特（bit）是最小的单位，然而一比特需要多少个原子呢？IBM的研究人员用纳米技术诠释了这一概念，存储一比特信息仅需12个原子。该项技术能大大提升了存储的密度，相比于现在的硬盘，同单位面积能够存储的信息量有百倍以上的提升。

一比特仅需12原子

　　集成电路的晶体管随着摩尔定律越来越密集，在晶体管大小越来越达到的物理极限的形势下，迫使人们寻求新的技术，才能将性能进一步提升。一比特仅需12各原子，存储性能达到如今硬盘的百倍以上，在信息时代下大数据的趋势中无疑将发挥重要的作用。

　　比特是计算机信息单元的基本单位，一比特有两个值：0和1。IBM采用铁原子磁矩的方向组合来存储计算机语言中的0和1，也许大家会说了，为什么不直接用铁原子的磁矩方向代表0和1呢？这样只需一个原子就可存储1比特的信息，何须12个原子呢？

1比特（Bit）= 12原子

       这里的问题是，相邻的铁原子磁矩会互相干扰，相信大家都玩过磁铁，两块磁铁相互靠近时，会有相互作用，或是排斥或是吸引。微观世界中的原子磁矩也是如此。因此才需要找到稳定的铁原子磁矩的方向组合来存储计算机语言中的0和1。

12个稳定的铁原子的磁矩组合

　　比特这一计算机信息最小单位，需要多少个原子呢？有些资料显示，如今的硬盘虽然已经能达到单个TB级的容量，但是存储1比特的信息也要百万个原子。

12个铁原子微观示意图

　　IBM通过使用扫描隧道显微镜(STM)将12个反磁性关联原子组合在一起，存储一个比特的数据，并在低温下维持了几个小时之久，证明代表0或1的原子磁矩稳定组合的原子数可以远比之前想象少得多。存储密度能够达到当今机械硬盘或是固态硬盘的百倍以上。

4、量子计算机存储单元

　   此外，3D存储技术HMC以及新型碳纳米晶体管的研究也是存储信息的新型技术，但是我们可以看到，无论是碳纳米管还是HMC以及利用原子磁矩的组合方向来存储信息，都没有跳出传统计算机的二进制的概念。

碳纳米晶体管示意图

　   相比原子存储信息的技术，量子计算机有何不同的地方呢？在传统计算机中，最小的存储单位还是bite，有0和1两种状态。

Qubit

　    而在量子计算机中，最小的存储单位是qubit，简单的来说他除了0和1的两种状态外，还有叠加态，这种叠加态又是任意线性的叠加，它既可以是0态又可以是1态， 0态和1态各以一定的概率同时存在。

　　正是因为这种叠加性，当许多个量子状态的原子纠缠在一起时，可以同时一起展开并行计算，从而使其具备超高速的运算能力。电子线性计算方式如同万只蜗牛排队过独木桥，而量子并行运算好比万只飞鸟同时升上天空。

号称全球第一款商用量子计算机的D-Wave One

　    量子计算机被认为是能改变世界的技术，就像现在对世界的影响最大的电脑，中国、美国、俄罗斯等都有在研究量子计算机。就在2011年5月份，加拿大的D-Wave System Inc公司发布了一款号称“全球第一款商用型量子计算机”的计算设备D-Wave One。

　　此款量子计算机采用的是128量子位的处理器，整体系统占地面积10平方米。

　　不过虽然D-Wave One号称是第一款量子计算机，不过业内却并没有认可，对于它是否真正实现量子计算还有很大怀疑。毕竟就目前的技术而言，量子计算机现在看来还是很遥远的事。

D-Wave One还是很猛的，虽然没有什么人会去买，虽然只是个噱头，

虽然还不是真正意义上的量子计算机，但是的确是个概念了。

sonic5188 发表于 2012-12-17 12:13

                               
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D-Wave One还是很猛的，虽然没有什么人会去买，虽然只是个噱头，

虽然还不是真正意义上的量子计算机，但是 ...

嗯，我也希望以后可以看到这类的概念和信息！

另外，感谢S版的精！！

这么猛》？？？？比现在的电脑快了10多个数量级。以后岂不是人人用超级电脑了？

曾经问过清华大学计算机室的主任，说中国基本没人搞，目前主要是英国与美国在研究，已取得初步成果。

期待中啊...科技工作者的脚步已经远远超过现实 引领整个时代了 神马时候人类超越时空的限制 我们将迎来一个崭新的时代

说实话，我还是没有想通量子计算机原理

量子计算机对比电子计算机，就好比后者跟算盘比较一样

也好比算盘跟数手指，后者是十以内的算术，老天爷也真会设计，让人类有十根手指

感觉还是很遥远，而且有局限性。纯感觉，没根据。

文中有一个字解释了标题“几分钟等于全球计算机100万年”吗？——纯粹标题党

量子力学里面好多问题都没解决，怎么会就出来了呢

这种高端的前沿科技，怕是只有老美他们在搞了，中国在搞房地产，发展切糕呢!

这些内容，到底能否实现，还难说得很。

总觉得实现起来好遥远。。。。

突然间想起《军火女王》里Jormungand计划用的量子计算机

改正了一些错别字！另外也感谢G版的推荐！！{:soso_e181:}

为了防御一个还未出现的威胁，中国物理学家已经明白，进行量子通信研究，除了能够实现隐形传态这种奇妙的物理现象以外，还能够实现更重要的使命，那就是防御一种“还未出现的威胁”。
　　威胁来自尚未被成功发明的量子计算机。早在上个世纪，科学家们就已经开始设想，用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，从而大幅度减少运算时间。如果将未来的量子计算机比作大学教授，今天所谓超级计算机的能力甚至还比不上刚上幼儿园的小班儿童。
　　你可以想象这样一个惊人的对比：现在对一个500位的阿拉伯数字进行因子分解，目前最快的超级计算机将耗时上百亿年，而量子计算机却只需大约几分钟。
　　“一旦哪个疯子发明出来量子计算机，他就可以攻破所有的密码。”这是个可怕的威胁。事实上，现在通用的加密方式并非如想象般安全，它们都有破译的方法，只不过由于现有计算机运行能力的限制，破译一个密钥可能要耗费上万年，甚至上百万年。
　　如果量子计算机出现，我们目前自以为安全的一切将不堪一击。那将是一个超级神偷，可以偷走现代文明中人们赖以生存的一切——银行存款、网络信息。它也足够冲破军事或安全系统，调转导弹的轨道，令整个国家陷入混乱与灾难。因此，没有人敢懈怠，“这并不是一项杞人忧天的研究。所有的防御必须出现在进攻之前。”美国科学家的预言就像一个倒计时牌，“量子计算机可能将在50年之后出现。”
　　因此，“只有采用量子信息才是安全的，必须占据先机。”这样一切“窃听手段”将失去原有的意义。如果一个间谍想要收集情报，他必须窃取发送途径中的光子，经过测量后再次传给接收者。但因为光子对的纠缠特性，这样的窃取就会被发现，“就像被尝过的冰淇淋一样”。
　　当然，眼下这只是一场看不见对手的战争。如果没有量子计算机这支矛，量子信息这面盾就发挥不出作用。即便技术成熟，如果量子计算机没有出现，并没必要进行大规模的产业换代。
　　科技发展的速度有多快谁能知道呢？就好像打算盘时的人们永远想不到，在不久的将来，人类发明出了每秒运行几千亿次的电子计算机。