量子計算將帶來大規模破壞

2020-10-07 工程學習


這篇文章旨在回答三個問題：

  1. 什麼是量子計算機？
  2. 它們的含義是什麼？
  3. 誰在處理它們？

這裡有很多要解壓的東西，所以請緊緊握緊，讓我們跳進去！

什麼是量子計算？

摩爾定律（或集成電路的指數增長）實際上是指計算的第五範式。以下是基礎技術的列表：（1）機電；（2）真空管；（3）接力；（4）電晶體；（5）集成電路。

量子計算機很可能是第六種範例，因為它們的工作方式與「經典」計算機完全不同。

經典計算機使用經典「位」執行操作-這些「位」只能處於以下兩種狀態之一：「 0」或「 1」。

相反，量子計算機使用「量子位」或「量子位」。由於稱為量子疊加的原理，這些量子位可以同時具有「 0」，「 1」或「 0 AND 1」的值。

這種功能使量子計算機能夠解決某些常規計算機難以解決的複雜問題。坦白說，對於當今社會來說，確實是令人興奮的問題，如下所示。

有關量子計算機的教程，請觀看以下短片：

量子比特的力量在於它們成倍地擴展。一個兩位數的機器允許您一次執行四個計算。一臺三位數的機器可以進行八次計算。一臺四比特的計算機可以同時進行16個計算。

到您達到300量子比特時，您已經擁有了一臺可以執行比宇宙中原子更多的「計算」的計算機。

這就是為什麼博客TechTarget如此描述量子計算的原因：「開發量子計算機，如果可行的話，將標誌著計算能力的飛躍，遠遠超過了從算盤到現代超級計算機的飛躍，性能提升了數十億倍。境界和超越。」

量子計算的含義是什麼？

真正的大規模量子計算的含義令人震驚，對當今社會產生了巨大影響（這就是我追蹤它的原因）。

我認為，這是前五個應用程式：

  1. 機器學習：許多機器學習都與「模式識別」有關。算法對大型數據集進行處理以找到噪聲中的信號，目標是最大程度地增加數據之間的比較次數，以找到描述該數據的最佳模型。使用量子計算，與傳統計算相比，我們將能夠更有效地完成這個數量級的處理。量子計算將使您能夠並行，同時以及對該數據的所有排列進行比較的數據要多得多，以發現描述數據的最佳模式。這將導致從根本上更強大的AI形式比我們預期的要快得多。期望量子計算對世界發展AI的速度產生積極的拐點（向上）（順便說一下，這就是Google如此努力的原因）。
  2. 醫學：量子計算還將使我們能夠在原子水平上對複雜的分子相互作用進行建模。這對於醫學研究和藥物發現特別重要。很快，我們將能夠對人類基因組中編碼的所有20,000+蛋白質進行建模，並開始模擬它們與尚未發明的現有藥物或新藥物的相互作用。基於對這些藥物相互作用的分析，我們將能夠找到治療先前無法治癒的疾病的方法，並有望縮短新藥的上市時間。使用量子計算機模擬將是我們設計和選擇下一代藥物和癌症治療方法。
  3. 化學（與氣候變化）：擔心氣候危機嗎？想知道我們能做些什麼？量子計算機可能是我們了解最新情況並與之抗爭的最新工具。它們將使我們能夠解鎖「模擬驅動」的解決方案，也許設計出新的催化劑，這些催化劑實際上可以從大氣中捕獲碳，並以低成本和低能耗的方式將其轉變為有價值的新產品。
  4. 材料科學與工程：因為我們可以模擬原子相互作用，所以我們將探索和發明全新，更好的材料。我們可能會找到更好的超導體，更好的磁體，可以使我們製造出更高能量密度電池的材料，等等。自2011年以來，美國聯邦政府已向「材料基因組計劃」撥款超過2.5億美元，以「發現，製造和部署先進材料的速度提高一倍，而成本卻只是其中的一小部分。」
  5. 仿生，能源系統和光伏技術： 科學家認為，世界上許多地方都建立在量子系統之上。例如，光合作用等過程可能取決於量子力學系統。因此，當我們尋求自然界的靈感來構建更好的能源系統或更堅固的材料時，只有在我們可以使用量子計算機對這些過程進行建模時，我們才能充分認識到它們的潛力。這將帶來許多進步和發現。底線：當量子計算成功時，我們將能夠控制宇宙的基本組成部分。問題是誰先解決這個問題？

誰在從事量子計算？

正在進行一場競賽-一場證明「量子至上性」的競賽。

量子至上本質上是一種驗證您擁有的計算機實際上是量子計算機的測試。

在美國，目前有3個主要玩家參與其中：

  1. 谷歌
  2. IBM公司
  3. Rigetti Computing，矽谷以外的初創企業

（也許是第四個-D-Wave系統。他們已經開發了具有qubit的晶片，但是尚未最終證明它們可以用作量子計算機。）

Rigetti Computing和Google都認為他們將在未來12到18個月內實現「量子至上」。

想一想：接下來的一兩年...

革命快到了。

下圖是地球上最強大的「經典」計算機，中國廣州的天河2號。

天河2號：地球上最強大的超級計算機。

它耗資4億美元。

電腦消耗的電能約為20兆瓦，足以為20,000戶家庭供電。

它擁有320萬個Intel內核，大約是足球場的一半。

為了推動美國重返高性能計算的霸主地位，歐巴馬總統宣布，到2020年，美國將建造一臺exoscale計算機，其功能比Tianhe-2強30倍。

問題是：用當前的技術，它將花費十億美元，並且將需要核電廠來運行超級計算機。

「我們需要這樣做，」 Chad Rigetti解釋說。「但是還有另一條路。量子計算。」

下圖是位於加利福尼亞伯克利的Rigetti實驗室中的兩個開發系統的圖片。


發展中的量子計算系統。圖片來源：Rigetti Computing

大約一個人的大白罐是冷卻系統，每個冷卻系統內部是單個量子晶片。

如今，在這些機器中，有一個五量子位處理器。

瘋狂的部分：一塊只有大約50至60量子位的晶片，將比整個「半河半」規模的機器「天河2號」更強大。

這就是量子計算解鎖的東西。

Rigetti正在快速開發量子集成電路和軟體平臺，該平臺將使開發人員能夠在其之上進行構建。

隨著Google，IBM，D-Wave以及世界上許多其他公司和研究實驗室的努力，我們正在迅速地進行一場量子計算革命。

做好準備。

相關焦點

  • 未來的量子計算能為我們帶來什麼
    基因定位到太空探索，人類活動帶來了越來越多的數據。這些海量數據的處理已經遠遠超過了經典計算機的能力範圍。基於這種情況，在挖掘大數據潛在價值的過程中，量子計算將扮演重要角色。，相對經典計算機具有大規模加速作用。
  • 量子網際網路時代就要來了？它將給世界帶來哪些影響?
    消息一出，就引發了眾多疑問：量子網際網路究竟是什麼？它將給世界和我們的日常生活帶來哪些影響？在發展量子網際網路的路上，會遭遇哪些「攔路虎」？研究中心（IQIT）主任金賢敏解釋說，量子網際網路由大規模分布的量子節點和連結各個節點的量子信道組成，用於實現各類量子增強的通信、計算和計量等技術。
  • 研究可以預測早期量子計算機的計算能力
    在捕獲離子設計中，量子位可以物理長距離傳輸，因此它們可以輕鬆地與其他量子位相互作用。他們的新算法意味著數據可以流經量子計算機，而不會發生「交通擁堵」。這反過來帶來了功能更強大的量子計算機。量子計算機有望解決經典計算機過於複雜的問題。量子計算機使用量子位(qubit)以新穎而強大的方式處理信息。
  • 量子網際網路時代就要來了？它將給世界帶來哪些影響？
    它將給世界和我們的日常生活帶來哪些影響？在發展量子網際網路的路上，會遭遇哪些「攔路虎」？，量子網際網路由大規模分布的量子節點和連結各個節點的量子信道組成，用於實現各類量子增強的通信、計算和計量等技術。據潘建偉解釋，從實際應用的角度來看，量子網際網路的首要任務是以一種無條件安全的方式進行全球性的密鑰共享，如果將隨機產生的密碼編碼在光子的量子態上，依據量子不可克隆定理，一個未知的量子態不能夠被精確地複製，一旦被測量就會被破壞。因此，一旦有人竊取並試圖自行讀取量子密鑰，就一定會被發現。
  • 新的「陷離離子」算法可預測早期量子計算機的計算能力
    科學家創造了一種新的算法，可以調節量子計算機中的流量，就像管理繁忙城市中的流量一樣。在捕獲離子設計中，量子位可以物理長距離傳輸，因此它們可以輕鬆地與其他量子位相互作用。他們的新算法意味著數據可以流經量子計算機，而不會發生「交通擁堵」。這反過來帶來了功能更強大的量子計算機。 量子計算機有望解決經典計算機過於複雜的問題。
  • 量子力學是一個重要的計算單元
    我想當科幻小說裡那樣，量子力學是一個重要的計算單元，這個計算單元能拿來做什麼事情，一個實驗去驗證，而在這個實驗發展的過程中發現量子計算機和經典計算機有共同點，它就是目前我們手上的量子計算機，有了這個我們就可以去嘗試用經典的計算機去實現量子計算機功能。量子計算機可以讓我們在傳統計算機上發揮很多的價值，比如現在的量子電路將來也有可能是服務於人工智慧。就像量子力學一樣，這個想法可以支持我們的發展和進步。
  • 人工智慧、量子計算,為區塊鏈帶來了新曙光
    人工智慧、量子計算，為區塊鏈帶來了新曙光 工程師周亮 發表於 2018-09-25 11:02:58 在經歷過2017年的數字貨幣大行情以後，市場已漸漸地回落
  • 研究：儘管被誤解，量子計算仍將影響企業
    納米技術、運輸、網絡安全和數據分析只是量子計算預計會影響的領域中的一小部分。然而，儘管量子計算的應用領域似乎無窮無盡，但企業仍在決定這一新級別的計算能力是否只是空想還是未來的現實。11月3日消息，近期，國外科技媒體TechRepublic針對量子計算開展了一項調查，涵蓋了對量子計算的了解程度、是否會將量子計算作為一項服務使用等內容。
  • 量子計算時代更近了
    對數據的處理可以實現運算的並行，運算速度會大大提高，同時，量子計算的速度會隨著實驗可操縱的糾纏比特數的增加而呈指數級提升。多個量子比特的相干操縱和糾纏態製備是發展可擴展量子信息技術，特別是量子計算的最核心指標，量子計算需用到多個光量子比特糾纏，數量越多越好。
  • 研究顯示：儘管被誤解，量子計算仍將影響企業
    納米技術、運輸、網絡安全和數據分析只是量子計算預計會影響的領域中的一小部分。然而，儘管量子計算的應用領域似乎無窮無盡，但企業仍在決定這一新級別的計算能力是否只是空想還是未來的現實。近期，國外科技媒體TechRepublic針對量子計算開展了一項調查，涵蓋了對量子計算的了解程度、是否會將量子計算作為一項服務使用等內容。
  • 量子門黑客——將遊戲黑客的想法應用到量子計算中
    Nathan Wiebe正在將數據科學和遊戲黑客的想法應用到量子計算。「使用量子計算機，你必須比使用普通計算機更加精細。你必須在不破壞系統中編碼的信息的情況下引出系統的信息。」「我們發現了量子力學的這些奇怪規則，」他說。「但直到現在，我們才開始思考如何利用這些規則來進行計算。」
  • 量子計算的到來，會引發怎樣的革命？
    最近的研究預測，到2030年，量子產業的規模將達數十億美元。然而，我們需要克服重大的現實挑戰才能實現這種大規模的影響。量子與傳統雖然量子理論已有一個多世紀的歷史，但當前的量子革命卻是基於最近的領悟，即：不確定性——量子粒子的基本屬性——可以成為一種強大的資源。
  • 未來暢想:如何實現100萬個量子比特的糾纏和量子計算
    目前，其大規模物理實現瓶頸的關鍵還在於研究者的創新能力和實驗技術，而不是研究經費和資源的多少。正被嚴肅研究的每一種量子計算實現路線（基於不同的物理體系和途徑）都有助於我們更深入理解所涉及系統的物理規律，同時也將工程的極限不斷向前推進。作為一個科學共同體，我們現在擁有各種類型迥異的物理系統，在這些系統中，我們正努力實現對每個單獨的基本組成單元的精微操控。
  • 未來暢想：如何實現100萬個量子比特的糾纏和量子計算
    目前，其大規模物理實現瓶頸的關鍵還在於研究者的創新能力和實驗技術，而不是研究經費和資源的多少。正被嚴肅研究的每一種量子計算實現路線（基於不同的物理體系和途徑）都有助於我們更深入理解所涉及系統的物理規律，同時也將工程的極限不斷向前推進。作為一個科學共同體，我們現在擁有各種類型迥異的物理系統，在這些系統中，我們正努力實現對每個單獨的基本組成單元的精微操控。
  • 美國大學教授利用太赫茲波超導電流完成超快量子計算
    太赫茲的獨特性能給通信(寬帶通信)、雷達、電子對抗、電磁武器、天文學、醫學成像(無標記的基因檢查、細胞水平的成像)、無損檢測、安全檢查(生化物的檢查)等領域帶來了深遠的影響。由於太赫茲的頻率很高，所以其空間解析度也很高;又由於它的脈衝很短(皮秒量級)所以具有很高的時間解析度。太赫茲成像技術和太赫茲波譜技術由此構成了太赫茲應用的兩個主要關鍵技術。
  • 雷射束中提取單個光粒子 將為量子計算帶來巨大突破
    研究人員表示，從雷射束中提取單個光粒子可能為量子計算帶來巨大突破。　　以色列魏茨曼科學研究所物理學家們通過超冷原子和頂尖光學技術成功從單束光中提取出了單個光子。　　物理學家們對單個光子興趣極大，因為控制它們的是量子力學規則而不是經典物理學的規則。
  • 「九章」問世-量子計算將如何影響區塊鏈技術?
    一個普遍的共識是，量子計算離大規模推廣應用還有很大距離。鄒均介紹，目前業界普遍將量子計算的發展分為三個階段：九章現在具備有76個光量子的精確操控能力，還屬於量子計算的初級階段，也就是所謂的「專用量子計算機」；下一階段是研發操控數百個量子比特的「模擬量子計算機」，該階段可以解決一些有實用價值的問題，例如新材料設計、優化算法等；第三階段是研發可糾錯的百萬物理量子比特的「通用量子計算機」，實現量子並行計算的商業應用。
  • 拓撲量子計算「開始走向實用化」—新聞—科學網
    摩爾定律認為，單位面積晶片集成電晶體數目每18個月翻番，計算性能隨之翻番。因此，晶片作為電子工業的硬體基礎不斷刷新著人們對於電子信息技術的想像。 近日，在未來科學大獎「物質科學獎」學術報告會上，中國科學院大學卡弗裡理論科學研究所所長張富春表示，「摩爾定律入侵量子計算，量子技術革命將驅動科技、經濟與社會的變革。」
  • 什麼是後量子密碼學?高速運行的量子計算機,可能破壞密碼防禦
    量子計算機可能破壞這些加密防禦。雖然量子機器現在還不夠強大，但它們正在快速發展。十多年後，甚至更短的時間內，量子機器可能會對廣泛使用的加密方法構成威脅。這就是為什麼研究人員和安全公司競相開發新的加密方法的原因，目的是能夠抵禦未來黑客發起的量子攻擊。數字加密是如何工作的？
  • 量子計算將汽車工業發展水準拉升至新高度
    量子計算（簡稱QC）機在技術上還遠未成熟，但實際應用已經出現。特別是，汽車工業可以從這些機器的使用中大大受益。麥肯錫公司已經調查了汽車在量子計算的潛力。而這項技術的瓶頸，除了對 V2X 的依賴之外， 最底層的技術其實就是對算力的要求，這一點也正是量子計算所能做到的。此外，自動駕駛汽車將擁有OTA技術，從雲端獲取機載AI系統更新，並將自動駕駛汽車收集的數據傳送回去。正是在雲計算中，量子計算機的超高速運轉能力就凸顯出來，成為協助自動駕駛汽車的有力幫手。 根據麥肯錫的研究，一些早期用戶已經取得了一定的成功。