量子計算機的工作原理

2020-12-04 保福科技園

量子計算機是目前網上當紅的概念,它是一種超級計算機,不但能依靠量子計算和存儲數據,還能非常充分地利用量子的不確定性原理,它比傳統的計算機表現得好得多。

你現在正在用的矽基微型計算機(電腦或者手機)依賴於將數據編碼成0或1的晶片。你每打開一個App,都會有數以百萬計、十億計或者萬億的0和1參與進來,這些編碼和4K電視頻幕上的830萬個像素點一樣,各司其職。

但0和1是二進位的,0就是0,1就是1,一個編碼不可能既是0又是1。而量子世界的特性卻與之完全不同。薛丁格的貓可能既是死的又是活的,因為在量子世界,所有的事物都可以同時處於多個狀態當中(一旦你觀測了某個具體的量子,它就會變為某個具體的狀態,所以如果你去了薛丁格的家,記得別看他的貓,不然它的貓可能會死)

量子計算機不用傳統的二進位代碼存儲數據,而是用量子比特來編譯數據,與傳統計算機一樣,量子比特可以存儲0或1,但卻可以存儲0和1的疊加狀態。一個量子晶片看起來可能沒什麼特別的,和一個普通的電腦晶片差不多,但其實它的存儲依賴於離子、光子或者電子等離子,而不是簡單的矽,其中的離子會在超導、過冷等狀態下相互作用。

谷歌的量子計算機——Sycamore近期做出了一個隨機數生成器,一個能生成完完全全隨機數的生成器(傳統計算機生成的隨機數實際都是偽隨機,都是由算法確定好的),這個看起來可能沒什麼大不了的。但這個成果值得被發表在著名的《自然》雜誌上,也值得發布在任何一本嚴肅的科學雜誌上,標題可以是:「你好,量子世界」。

谷歌這臺量子計算機首先最出眾的地方就是其計算速度,Sycamore只用了200秒就解決了隨機數的生成問題,而一臺傳統超級計算機(如神威·太湖之光)做到這點需要至少一個世紀。

Sycamore工作的方式則是更引人注目的。當量子計算機計算一個等式時,它會同時進行數百萬次的計算,以尋找概率分布,它通過分析所有的答案,來最終識別出正確的答案。

谷歌表示Sycamore尚未為實際應用做好準備,儘管它的隨機數生成器在密碼學當中很有價值,但是它在投入實際應用前還有很多改進工作要做。它的競爭對手IBM在一篇博文中認為,一臺擁有足夠存儲空間的計算機,可以在2.5天之內解決Sycamore遇到的所有問題,儘管2.5天比200秒長多了,但和一個世紀比起來不值一提。

不管怎樣,無可否認的是,計算機發展史的轉折點已經到了。谷歌的Sycamore量子計算機標誌著我們已經踏進了量子計算的大門。

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