光子、量子計算機的研發,運算速度超乎想像,並將投入商用

2020-12-05 九品博物官

你可能不知道,一種比現在的超級計算機強上百倍之餘,這就是光子計算機。這個研發方向起源於20世紀60年代雷射技術,科學家們將提升計算機的運算速度和容量寄託於光子計算機,根據多年的研究光用於儲存數據的表現確實不俗,還有基宇光子技術的彩色雷射複印和全息圖像。日本佳能公司研發的彩色雷射複印機在德國漢諾瓦博覽會上大放異彩,為當場的遊客複印美元以及身份證,其逼真程度讓在場所有人吃驚。

而全息圖像技術是利用小功率光器來產生立體圖像,這一項技術目前在工程設計上、醫用、保密等領域上開始展露頭角,美國麻省理工學院在1986年通過計算機把數位化的汽車資料變換成960幅汽車的各種色視圖,再把這些色視圖製成全息膠片,用雷射從後面一照射,一輛逼真的汽車模型便飄浮在面前的空間,設計師可以從不同的角度予以研究改進。現在許多信用卡公司、銀行正在他們的商品上使用全息圖像,以防止偽造品。

當然這項技術更為科幻的表現可以參考電影鋼鐵俠,憑空出現影像還能根據需求變動。這些產品統統都是光子技術的革新。計算機的強大與否主要看兩個因素,第一就是計算機部件的運行速度,其二就是它們排列緊密程度。目前的電子計算機利用電子0到1的狀態變化,通過這樣的二進位運算並處理信息,電子的速度在理論上的是可以接近光速的,但我們的手機電腦裡,電子在矽片上運行的速度不到光速的百分之一,而且這是電晶體逐漸接近物理極限的今天。

另外在超大型集成電路中一些片狀器件的線腳已達300多隻,排列密度受到嚴重的限制,這種水平還是工程師扯光頭髮才設計出來的。但這樣的限制在光面前就不是問題了,因為光可以依靠一小束低功率雷射進入由反射鏡和透鏡組成的光迴路來進行「思維」的,同樣具有存儲、運算和控制等功能。且能夠保障互不幹擾,如此一來工程師們可以在極小的空間內設計出更多的信息通道,這一想法並不僅僅存在於理論當中,例如貝爾實驗室的光學轉換器就可以做得很小,以致在不到2毫米直徑的器件中,可裝入2000多個通道。光子計算機還有一個優點就是信息量大,一束光可以同時傳送數以千計的通道的信息。

目前光子計算機的最新進展其實量子計算機,2019年年底谷歌就是實現了「量子霸權」僅僅使用了53位的量子晶片解決了一個經典超級計算機需要10000萬才能解開的數學問題。谷歌的量子霸權絕不亞於當年橫掃圍棋界的阿爾法狗的場景。國內同樣也有喜人的消息傳出,本源量子在2019年9月10日發布全球第一個量子計算機應用軟體,它是一套量子化學應用系統,主要的功能是模擬計算機化學分子在不同鍵長下對應的能量,這為化學領域的應用提供基礎,協助科研人員探索量子計算應用、推動生物科技研發進程。

此外中國還將計劃於2020年搭建中國第一臺量子計算機原型機,而且這臺計算機具有全自主智慧財產權,原型機將搭載6比特超導晶片,技術指標達到IBM在2016年時的工作水準;同時,原型機將搭載另一款2比特的半導體晶片,這相當於英特爾在2018年的水準。這一領域目前中美差距大約有3到4年的差距,但這樣比現在計算機好很多,不存在什麼卡住咽喉的說法。

量子計算機想要達到商用水平有人推測需要經歷三個階段,第一個階段就是研發原型機,這個階段基本上已經結束。第二階段重點在於尋找專用級的晶片,用它來解決特定行業問題。第三階段就是發展出真正通用量子計算機,外國專業人士預測2030年這個市場的估值大約是20億美金,2050年極有可能市場估值暴增百倍。按照現在的量子計算機來看,它不會代替經典計算機,這是因為量子計算機基宇量子力學特性,可以理解為量子計算機實際上是一個全新的計算機模型。因此量子計算機的研發和使用方面任然需要經典計算機輔助和傳遞信息。量子計算機其實是和經典計算機一個結合的產物。

量子計算機主要是通過量子疊加原來來實現的,這也意味著量子計算機可以同時進行0和1二進位編碼的雙路處理。通俗一點就是量子計算機在用兩支筆寫字,經典計算機是單筆寫字。之所以說量子計算機是光子計算機的最新進展是因為量子這個名字包含了多種粒子,其中就包括光子、電子、中子、質子等等。早在1990年就被美國貝爾實驗室就宣布世界上第一臺光子計算機,它採用砷化鎵光學開關,運算速度達每秒10億次。但嚴格意義上來說並不是光子計算機,真正的光子計算機需要開發出可以用一條光束來控制另一條光束變化的光學電晶體這一基礎元件。

雖然科研人員可以實現這樣的裝置,但所需要的條件過去苛刻,而且目前光機計算機遇到的第一個難題就是光源問題,現有的光源要麼效率很低要麼就是體積超大,如果結構複雜起來根本就無法集成。

相比較經典計算機,光子計算機的特點就是速度快,信息幹擾少,可蘊含大量信息等優勢,如果和量子計算機相比較的話光子計算機是最有可能普及民用的。當然這個前提是解決集成以及成本問題。

相關焦點

  • 中科院研製量子計算機,比現有計算機運算速度快百萬倍
    最近中國科學院再次立下大功,針對美國的晶片禁運手段,中科院推出了量子計算機,此舉令美國方面緊張不已,難道美國最後的底牌已經失效了嗎?這款計算機的出世,標誌著晶片劣勢終於被扭轉了,而中科院不但打破了美國的晶片霸權,同時還讓國產超級計算機的速度比美國快上一百萬倍,看來接下來輪到中國開始技術封鎖了。
  • 「光子晶片」運算速度無法超越「石墨烯晶片」運算速度,相差巨大
    網上出現很多晶片的名稱,例如碳基晶片、光子晶片、量子晶片。年12月,美國三所大學的研究人員開發出全球首款光子晶片,它可以用光來傳輸數據,速度比過去的晶片大幅提升,能耗也大大減少。晶片每平方毫米處理數據的速度達到300Gbps,比現有的標準處理器快10倍甚至50倍。研究人員用7000萬個電晶體和850個光子元件(用來發送和接收光)組成2個處理器內核,整個晶片只有3 X 6毫米大。
  • 以2的冪的冪的速度增長?量子計算機的運算能力將會有多恐怖?
    量子計算機來了,它的運算似乎可以用指數的指數級增長來形容,即2的冪的冪的速度,這將是人類處理信息顛覆性的手段。前段時間,谷歌人工智慧量子實驗室的主任科學家Hartmut Neven提出了關於量子計算的「Neven 定律」:如果說傳統計算機遵循摩爾定律,運算能力以指數級增長,那麼量子計算機的運算能力會以相對傳統計算機的指數的指數級增長,即雙重指數增長。
  • 量子力學目前最大的應用,量子計算機的計算能力有多強?超乎想像
    但量子力學還會有其他的潛在價值,那就是我們正在研究的並且已經初步實現的量子計算機,它跟我們普通的計算機有什麼區別呢?它的計算能力有多強大?絕對超乎你的現象。光子遠距離傳輸量子計算機是怎樣工作的科學家努利使用新方法試圖去利用量子力學
  • 量子計算機首次正式投入商用 要價一千萬美元
    加拿大量子計算公司D-Wave近日正式發布了全球第一款商用型量子計算機「D-Wave One」,量子電腦的夢想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——「Yes, you can have one.」。
  • 電子速度已無法滿足需求,每秒運算千億次的光子計算機能實現嗎?
    近年來電腦性能增速下降,電腦已經逐漸不能滿足人類運算的需求。如果用光子取代電子,計算機將能達到一千億次每秒的運算速率,可以幫助人類探索外太空、模擬大腦運作,甚至可能會徹底改變地球的面貌。那麼光子計算機真的能實現嗎?人類攻克光子計算機的路途中,有哪些困難需要克服?
  • 實現「量子霸權」:了不起的「九章」計算機
    在「九章」中使用的量子載體為光子,光子除了亮和滅兩種形態以外,還存在不同的偏振態,因此,一個光子能夠表達的不僅是0和1兩種狀態,含包括兩者組合疊加的多樣結果。粒子的使用使得量子計算機的運算速度能夠突破電路性能的限制,得到了極大程度的提升。利用量子天然具備的疊加性,量子計算機得以施展並行計算的能力。
  • 實現「量子霸權」:了不起的「九章」計算機
    而量子計算機使用粒子的狀態作為計算形式,由於粒子能夠同時處於多種狀態,因此量子計算機的單個比特可以承載更多的信息。在「九章」中使用的量子載體為光子,光子除了亮和滅兩種形態以外,還存在不同的偏振態,因此,一個光子能夠表達的不僅是0和1兩種狀態,含包括兩者組合疊加的多樣結果。粒子的使用使得量子計算機的運算速度能夠突破電路性能的限制,得到了極大程度的提升。
  • 光信號和光子計算機
    光子計算機是一種由光子信號進行信息處理、信息存儲、邏輯操作和數字運算的新型計算機。集成光路是光子計算機的基本構成部件,包括核鏡、透鏡和雷射器。光子計算機和傳統計算機相比較,有以下幾點好處:(1)光計算機的光子互聯晶片集成密度更高。
  • 比量子計算機穩定:中國科學家研製出新型可擴展光子計算機
    大家還記得去年穀歌聲稱,自己成為了全球第一個拿到了「量子霸權」這件事情麼?在當時他們說根據他們提出的理論模型設計出來的量子計算機,只用3分20秒,就能完成現如今全球第一超算:Summit超算系統花費整整一萬年才能完成的運算。
  • 分子計算機的運算過程是蛋白質分子與物理化學介質的相互作用過程
    量子計算機已處於量子狀態的原子作為中央處理器和內存,其運算速度可能比目前的奔騰4晶片快10億倍,就像一枚信息火箭,在一瞬間搜尋整個網際網路,可以輕易破解任何安全密碼,黑客任務輕而易舉,難怪美國中央情報局對它特別感興趣。光子計算機  1990年初,美國貝爾實驗室製成世界上第一臺光子計算機。
  • 每秒1000億次的運算速率,光子計算機將改變我們的生活
    有人腦洞大開,可以直接用光來做計算機,用光子取代電子,這是基於光子學和光子技術基礎的光子計算機,理論上光子計算機可以將現代電腦的運行速度提升幾百上千倍,如果用光子來計算,那首先考慮的問題就是怎麼使光束表達出數字電路中的0和1,還要開發出光子晶片,它的基礎原理就是光學開關器。
  • 我國量子計算機領域創造多個世界紀錄,美國將發布最強量子計算機
    本次霍尼韋爾聲稱,其將在未來三個月內發布全球量子體積(Quantum Volume)最強大的量子計算機,量子體積至少為64,是目前世界排名第一IBM量子計算機的一倍!量子體積,是IBM提出用于衡量量子計算機強大程度的一個專用性能指標,其影響因素包括量子比特數、門和測量誤差、設備交叉通信、以及設備連接和電路編譯效率等。
  • 美軍投巨資研製光子晶片 將成戰爭「最強大腦」
    美國科羅拉多大學科研人員日前研製成功世界上第一款依靠「光子」傳輸資料的微處理器晶片。光計算主要利用光的物理性質進行大容量信息處理,一旦投入運行,將徹底改變智慧型手機、超級計算機和大型運算中心的計算與網絡構架,在軍事和民用領域具有廣泛的應用前景。目前,美國海軍和美國飛彈防禦局先後投入巨資開展光子晶片的研製。
  • 每秒運算千億次的光子計算機,真的能實現嗎?
    現在我給大家做一組簡單的小實驗,看看量子點如何呈現不同的色彩。我們會將一系列硒化鎘量子點融在有機溶液(甲苯)中,可能這些溶液看起來像白水一樣的、或者有淡淡的一些顏色。當我們將這些量子點放在紫外光中,它就會呈現出不同的色澤,這個原理是什麼?
  • 「光子晶片」運算速度,能超「石墨烯晶片」速度嗎?今天算明白了
    「光子晶片」運算速度,能超「石墨烯晶片」速度嗎?我們現在使用的晶片基本上都是碳基晶片,也就是所謂的石墨烯晶片,你可能也會提出一個問題,那就是最近量子晶片和光子晶片不是特別的火熱嗎?為什麼不提一提這兩種晶片呢?其主要原因是「光子晶片」運算速度無法超越「石墨烯晶片」運算速度,相差巨大。
  • 離真正造出量子計算機還有多遠?潘建偉:10到20年
    由於該計算機目前尚屬於早期的實驗室階段,在運算能力上還無法與現代的計算機相比,因此這是我國量子計算機研究取得的重大國際突破,並不是真正造出了可投入應用的量子計算機。潘建偉院士也表示,要造出有一定應用價值的量子計算機,還需要10到20年的努力。
  • 九章「量子至上」水平遭質疑?業內人士指出,這個問題美國也有
    正是這種超乎現實宏觀世界經驗的信息處理規則,令量子技術擁有了至高無上的研究與應用價值;也正是這種超乎人類想像的法則,令量子技術成為世界頂尖科學家們心頭迷夢。德克薩斯大學奧斯汀分校計算機科學教授斯科特·亞倫森說:「即使您對量子位進行運算,量子位也要保持0和1的重疊,並保持糾纏態。」其他量子工程師說。「問題在於它們本質上非常脆弱。
  • 「光子晶片」運算速度,能超「石墨烯晶片」速度嗎?今天算明白了
    我相信如果你是一個非晶片研究領域的專業人員,你可能不知道其實我們現在所說的晶片,他其實有很多的種類,就像矽基晶片,光子晶片和量子晶片,你只知道他們是晶片卻不知道他們各自的性能是如何的。其主要原因是「光子晶片」運算速度無法超越「石墨烯晶片」運算速度,相差巨大。確實近五年對於光子晶片的文章很多,他們的內容基本上都是說光子晶片,它的性能會比碳基晶片好特別多,運算速度也很快,但這些可能是誇大了光子晶片的性能,光子晶片與碳基晶片性能究竟誰好誰壞,其實是需要實驗去驗證的。
  • 量子計算機為什麼會比傳統計算機快
    最近谷歌推出了有72量子比特的新型量子處理器,又掀起了一波量子計算機的熱潮,那麼量子計算機相對傳統計算機到底有什麼優勢,讓各個大公司包括谷歌、微軟、IBM、英特爾、阿里巴巴等都都爭先恐後的投入量子計算機的研究中,答案就是量子計算機比傳統計算機快多了,並不是說目前量子計算機就已經比傳統計算機快了