量子電腦

量子電腦

量子電腦(quantum computer),是一種全新的基于量子理論的電腦,遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。量子電腦的概念源于對可逆電腦的研究。量子電腦套用的是量子比特,可以同時處在多個狀態,而不像傳統電腦那樣隻能處于0或1的二進位狀態。
  • 中文名稱
    量子電腦
  • 英文名
    quantum computer
  • 時間
    1994年
  • 拼音
    liang zi ji suan

理論背景

有趣的量子理論

量子論的一些基本論點顯得並不“玄乎”,但它的推論顯得很“玄”。我們假設一個“量子”距離也就是最小距離的兩個端點A和B。按照量子論,物體從A不經過A和B中的任何一個點就能直接到達B。換句話說,物體在A點突然消失,與此同時在B點出現。除了神話,你無法在現實的巨觀世界找到一個這樣的例子。量子論把人們在巨觀世界裏建立起來的“常識”和“直覺”打了個七零八落

量子電腦

薛定諤之貓是關于量子理論的一個理想實驗。實驗內容是:這隻貓十分可憐,它被封在一個密室裏,密室裏有食物有毒葯。毒葯瓶上有一個錘子,錘子由一個電子開關控製,電子開關由放射性原子控製。如果原子核衰變,則放出α粒子,觸動電子開關,錘子落下,砸碎毒葯瓶,釋放出裏面的氰化物氣體,貓必死無疑。這個殘忍的裝置由奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤所設計,所以此貓便叫做薛定諤貓。量子理論認為:如果沒有揭開蓋子,進行觀察,我們永遠也不知道貓是死是活,它將永遠處于非死非活的疊加態,這與我們的日常經驗嚴重相違。

瑞典皇家科學院2012年10月9日宣布,將2012年諾貝爾物理學獎授予法國物理學家塞爾日·阿羅什和美國物理學家戴維·瓦恩蘭,以表彰他們在量子物理學方面的卓越研究。他說,這兩位物理學家用突破性的實驗方法使單個粒子動態系統可被測量和操作。他們獨立發明並最佳化了測量與操作單個粒子的實驗方法,而實驗中還能保持單個粒子的量子物理性質,這一物理學研究的突破在之前是不可想象的。

​研究歷史

量子電腦,早先由理查德·費曼提出,一開始是從物理現象的模擬而來的。可他發現當模擬量子現象時,因為龐大的希爾伯特空間使資料量也變得龐大,一個完好的模擬所需的運算時間變得相當可觀,甚至是不切實際的天文數位。理查德·費曼當時就想到,如果用量子系統構成的電腦來模擬量子現象,則運算時間可大幅度減少。量子電腦的概念從此誕生

量子電腦,或推而廣之——量子資訊科學,在1980年代多處于理論推導等紙上談兵狀態。一直到1994年彼得·秀爾(Peter Shor)提出量子質因子分解演算法後,因其對通行于銀行及網路等處的RSA加密演算法破解而構成威脅後,量子電腦變成了熱門的話題。除了理論之外,也有不少學者著于利用各種量子系統來實現量子電腦

20世紀60年代至70年代,人們發現能耗會導致電腦中的晶片發熱,極大地影響了晶片的集成度,從而限製了電腦的運行速度。研究發現,能耗來源于計算過程中的不可逆操作。那麽,是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢?問題的答案是:所有經典電腦都可以找到一種對應的可逆電腦,而且不影響運算能力。既然電腦中的每一步操作都可以改造為可逆操作,那麽在量子力學中,它就可以用一個幺正變換來表示。早期量子電腦,實際上是用量子力學語言描述的經典電腦,並沒有用到量子力學的本質特徵,如量子態的疊加性和相幹性。在經典電腦中,基本信息單位為比特運算對象是各種比特序列。與此類似,在量子電腦中,基本信息單位是量子比特,運算對象是量子比特序列。所不同的是,量子比特序列不但可以處于各種正交態的疊加態上,而且還可以處于糾纏態上。這些特殊的量子態,不僅提供了量子並行計算的可能,而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典電腦不同,量子電腦可以做任意的幺正變換,在得到輸出態後,進行測量得出計算結果。因此,量子計算對經典計算作了極大的擴充,在數學形式上,經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子電腦對每一個疊加分量進行變換,所有這些變換同時完成,並按一定的概率幅疊加起來,給出結果,這種計算稱作量子並行計算。除了進行並行計算外,量子電腦的另一重要用途是模擬量子系統,這項工作是經典電腦無法勝任的。

1994年,貝爾實驗室的專家彼得·秀爾(Peter Shor)證明量子電腦能完成對數運算,而且速度遠勝傳統電腦。這是因為量子不像半導體隻能記錄0與1,可以同時表示多種狀態。如果把半導體電腦比成單一樂器,量子電腦就像交響樂團,一次運算可以處理多種不同狀況,因此,一個40位元的量子電腦花一秒鍾的時間,就能解開1024位元的電子電腦花上數十年解決的問題。

隨著電腦科學的發展,史蒂芬·威斯納在1969年最早提出“基于量子力學的計算設備”。而關于“基于量子力學的信息處理”的最早文章則是由亞歷山大·豪勒夫(1973)、帕帕拉維斯基(1975)、羅馬·印戈登(1976)和尤裏·馬尼(1980)年發表。史蒂芬·威斯納的文章發表于1983年。1980年代一系列的研究使得量子電腦的理論變得豐富起來。1982年,理查德·費曼在一個著名的演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法。緊接著1985年大衛·杜斯提出了量子圖靈機模型 。人們研究量子電腦最初很重要的一個出發點是探索通用電腦的計算極限。當使用電腦模擬量子現象時,因為龐大的希爾伯特空間而資料量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當可觀,甚至是不切實際的天文數位。理查德·費曼當時就想到如果用量子系統所構成的電腦來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少,從而量子電腦的概念誕生。

演算法理論

經典演算法

量子電腦在1980年代多處于理論推導狀態。1994年彼得·秀爾(Peter Shor)提出量子質因子分解演算法後,因其對于通行于銀行及網路等處的RSA加密演算法可以破解而構成威脅之後,量子電腦變成了熱門的話題,除了理論之外,也有不少學者著力于利用各種量子系統來實現量子電腦。

半導體靠控製積體電路來記錄及運算信息,量子電腦則希望控製原子或小分子的狀態,記錄和運算信息。 1994年,貝爾實驗室的專家彼得·秀爾(Peter Shor)證明量子電腦能做出離散對數運算,而且速度遠勝傳統電腦。因為量子不像半導體隻能記錄0與1,可以同時表示多種狀態。如果把半導體比成單一樂器,量子電腦就像交響樂團,一次運算可以處理多種不同狀況,因此,一個40比特的量子電腦,就能在很短時間內解開1024位電腦花上數十年解決的問題。

通用計算

量子電腦,顧名思義,就是實現量子計算的機器。是一種使用量子邏輯進行通用計算的設備。不同于電子電腦(或稱傳統電腦),量子計算用來存儲資料的對象是量子比特,它使用量子演算法來進行資料操作。

要說清楚量子計算,首先看經典電腦。經典電腦從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定演算法進行變換的機器,其演算法由電腦的內部邏輯電路來實現。

1.其輸入態和輸出態都是經典信號,用量子力學的語言來描述,也即是:其輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態。如輸入二進位序列0110110,用量子記號,即|0110110>。所有的輸入態均相互正交。對經典電腦不可能輸入如下疊加態:C1|0110110 >+ C2|1001001>。

2.經典電腦內部的每一步變換都演化為正交態,而一般的量子變換沒有這個性質,因此,經典電腦中的變換(或計算)隻對應一類特殊集。

相應于經典電腦的以上兩個限製,量子電腦分別作了推廣。量子電腦的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述,如二能級系統(稱為量子比特(qubits)),量子電腦的變換(即量子計算)包括所有可能的幺正變換。

1.量子電腦的輸入態和輸出態為一般的疊加態,其相互之間通常不正交;

2量子電腦中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態之後,量子電腦對輸出態進行一定的測量,給出計算結果。

承載16個量子位的矽晶片

由此可見,量子計算對經典計算作了極大的擴充,經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特征為量子疊加性和量子相幹性。量子電腦對每一個疊加分量實現的變換相當于一種經典計算,所有這些經典計算同時完成,量子並行計算。

無論是量子並行計算還是量子模擬計算,本質上都是利用了量子相幹性。遺憾的是,在實際系統中量子相幹性很難保持。在量子電腦中,量子比特不是一個孤立的系統,它會與外部環境發生相互作用,導致量子相幹性的衰減,即消相幹(也稱“退相幹”)。因此,要使量子計算成為現實,一個核心問題就是克服消相幹。而量子編碼是迄今發現的克服消相幹最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是:量子糾錯碼量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比,是目前研究的最多的一類編碼,其優點為適用範圍廣,缺點是效率不高。

正如大多數人所了解的,量子電腦在密碼破解上有著巨大潛力。當今主流的非對稱(公鑰)加密演算法,如RSA加密演算法,大多數都是基于于大整數的因式分解或者有限域上的離散指數的計算這兩個數學難題。他們的破解難度也就依賴于解決這些問題的效率。傳統電腦上,要求解這兩個數學難題,花費時間為指數時間(即破解時間隨著公鑰長度的成長以指數級成長),這在實際套用中是無法接受的。而為量子電腦量身定做的秀爾演算法可以在多項式時間內(即破解時間隨著公鑰長度的成長以k次方的速度成長,其中k為與公鑰長度無關的常數)進行整數因式分解或者離散對數計算,從而為RSA、離散對數加密演算法的破解提供可能。但其它不是基于這兩個數學問題的公鑰加密演算法,比如橢圓曲線加密演算法,量子電腦還無法進行有效破解。

針對對稱(私鑰)加密,如AES加密演算法,隻能進行暴力破解,而傳統電腦的破解時間為指數時間,更準確地說,其中為密鑰的長度。而量子電腦可以利用Grover演算法進行更最佳化的暴力破解,其效率為,也就是說,量子電腦暴力破解AES-256加密的效率跟傳統電腦暴力破解AES-128是一樣的。

更廣泛而言,Grover演算法是一種量子資料庫搜尋演算法,相比傳統的演算法,達到同樣的效果,它的請求次數要少得多。對稱加密演算法的暴力破解僅僅是Grover演算法的其中一個套用。

在利用EPR對進行量子通訊的實驗中科學家發現,隻有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞,任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息,正所謂解鈴還需系鈴人,這樣實現的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。

此外量子電腦還可以用來做量子系統的模擬,人們一旦有了量子模擬電腦,就無需求解薛定諤方程或者採用蒙特卡羅方法在經典電腦上做數值計算,便可精確地研究量子體系的特征。

研發情況

發展趨勢

用原子實現的量子電腦隻有5個q-bit,放在一個試管中而且配備有龐大的外圍設備,隻能做1+1=2的簡單運算,正如Bennett教授所說,“現在的量子電腦隻是一個玩具,真正做到有實用價值的也許是5年,10年,甚至是50年以後”,我國量子信息專家中國科技大學的郭光燦教授則宣稱,他領導的實驗室將在5年之內研製出實用化的量子密碼,來服務于社會!科學技術的發展過程充滿了偶然和未知,就算是物理學泰鬥愛因斯坦也決不會想到,為了批判量子力學而用他的聰明大腦假想出來的EPR態,在六十多年後不僅被證明是存在的,而且還被用來做量子電腦。在量子的狀態下不需要任何計算過程,計算時間,量子進行空間跳躍。可以說量子晶片,是終極的晶片

外國進展

1920年,奧地利人埃爾溫·薛定諤、愛因斯坦、德國人海森伯格和狄拉克,共同建立了一個前所未有的新學科——量子力學。量子力學的誕生為人類未來的第四次工業革命打下了基礎。在它的基礎上人們發現了一個新的技術,就是量子電腦。

量子電腦的技術概念最早由理查得·費曼提出,後經過很多年的研究這一技術已初步見成效。

美國的洛斯阿拉莫斯和麻省理工學院、IBM、和斯坦福大學、武漢物理教學所、清華大學四個研究組已實現7個量子比特量子演算法演示。

2001年,科學家在具有15個量子位的核磁共振量子電腦上成功利用秀爾演算法對15進行因式分解。

2005年,美國密歇根大學的科學家使用半導體晶片實現離子囚籠(ion trap)。

2007年2月,加拿大D-Wave系統公司宣布研製成功16位量子比特的超導量子電腦,但其作用僅限于解決一些最最佳化問題,與科學界公認的能運行各種量子演算法的量子電腦仍有較大區別。

2009年,耶魯大學的科學家製造了首個固態量子處理器。

2009年11月15日,世界首台可程式的通用量子電腦正式在美國誕生。同年,英國布裏斯托爾大學的科學家研製出基于量子光學的量子電腦晶片,可運行秀爾演算法。

2010年3月31日,德國于利希研究中心發表公報:德國超級電腦成功模擬42位量子電腦,該中心的超級電腦JUGENE成功模擬了42位的量子電腦,在此基礎上研究人員首次能夠仔細地研究高位數量子電腦系統的特徵。

2011年4月,一個成員來自澳大利亞和日本的科研團隊在量子通信方面取得突破,實現了量子信息的完整傳輸。 2011年5月11日, 加拿大的D-Wave System Inc. 發布了一款號稱 “全球第一款商用型量子電腦”的計算設備“D-Wave One”。該量子設備是否真的實現了量子計算還沒有得到學術界廣泛認同。同年9月,科學家證明量子電腦可以用馮·諾依曼架構來實現。 同年11月,科學家使用4個量子位成功對143進行因式分解。

2012年2月,IBM聲稱在超導積體電路實現的量子計算方面取得數項突破性進展。 同年4月,一個多國合作的科研團隊研發出基于金剛石的具有兩個量子位的量子電腦,可運行Grover演算法,在95%的資料庫搜尋測試中,一次搜尋即得到正確答案。該研究成果為小體積、室溫下可正常工作的量子電腦的實現提供可能。同年9月,一個澳大利亞的科研團隊實現基于單個矽原子的量子位,為量子儲存器的製造提供了基礎。 同年11月,首次觀察到巨觀物體中的量子躍遷現象。

2013年5月D-Wave System Inc宣稱NASA和Google共同預定了一台採用512量子位的D-Wave Two量子電腦。

國內突破

2013年6月8日,由中國科學技術大學潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊首次成功實現了用量子電腦求解線性方程組的實驗。相關成果發表在2013年6月7日出版的《物理評論快報》上,審稿人評價“實驗工作新穎而且重要”,認為“這個演算法是量子信息技術最有前途的套用之一”。據介紹,線性方程組廣泛套用于幾乎每一個科學和工程領域。日常的氣象預報,就需要建立並求解包含百萬變數的線性方程組,來實現對大氣中溫度、氣壓、濕度等物理參數的模擬和預測。而高準確度的氣象預報則需要求解具有海量資料的方程組,假使求解一個億億億級變數的方程組,即便是用現在世界上最快的超級電腦也至少需要幾百年。美國麻省理工學院教授塞斯·羅伊德等提出了用于求解線性方程組的量子演算法,利用GHz時鍾頻率的量子電腦將隻需要10秒鍾。該研究團隊發展了世界領先的多光子糾纏操控技術。實驗的成功標志著我國在光學量子計算領域保持著國際領先地位。

工作原理

量子電腦原理

普通的數位電腦在0和1的二進位系統上運行,稱為“比特”(bit)。但量子電腦要遠遠更為強大。它們可以在量子比特(qubit)上運算,可以計算0和1之間的數值。假想一個放置在磁場中的原子,它像陀螺一樣旋轉,于是它的旋轉軸可以不是向上指就是向下指。常識告訴我們:原子的旋轉可能向上也可能向下,但不可能同時都進行。但在量子的奇異世界中,原子被描述為兩種狀態的總和,一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。在量子的奇妙世界中,每一種物體都被使用所有不可思議狀態的總和來描述。

想象一串原子排列在一個磁場中,以相同的方式旋轉。如果一束雷射照射在這串原子上方,雷射束會躍下這組原子,迅速翻轉一些原子的旋轉軸。通過測量進入的和離開的雷射束的差異,我們已經完成了一次復雜的量子“計算”,涉及了許多自旋的快速移動。

從數學抽象上看,量子電腦執行以集合為基本運算單元的計算,普通電腦執行以元素為基本運算單元的計算(如果集合中隻有一個元素,量子計算與經典計算沒有區別)。

函式y=f(x),x∈A為例。量子計算的輸入參數是定義域A,一步到位得到輸出值域B,即B=f(A);經典計算的輸入參數是x,得到輸出值y,要多次計算才能得到值域B,即y=f(x),x∈A,y∈B。

量子電腦有一個待解決的問題,即輸出值域B隻能隨機取出一個有效值y。雖然通過將不希望的輸出導向空集的方法,已使輸出集B中的元素遠少于輸入集A中的元素,但當需要取出全部有效值時仍需要多次計算。

實際運用

D-Wave 量子電腦-首台商用量子電腦在2007年,加拿大電腦公司D-Wave展示了全球首台量子電腦“Orion(獵戶座)”,它利用了量子退火效應來實現量子計算。該公司此後在2011年推出具有128個量子位的D-Wave One型量子電腦並在2013年宣稱NASA與谷歌公司共同預定了一台具有512個量子位的D-Wave Two量子電腦。

NSA加密破解計畫

2014年1月3日,美國國家安全局(NSA)正在研發一款用于破解加密技術的量子電腦,希望破解幾乎所有類型的加密技術。投入巨資 投入4.8億進行“滲透硬目標”

首台編程通用量子電腦

2009年11月15日,世界首台可程式的通用量子電腦正式在美國誕生。不過根據初步的測試程式顯示,該電腦還存在部分難題需要進一步解決和改善。科學家們認為,可程式量子電腦距離實際套用已為期不遠。

單原子量子信息存儲首次實現

2013年5月,德國馬克斯普朗克量子光學研究所的科學家格哈德·瑞普領導的科研小組,首次成功地實現了用單原子存儲量子信息——將單個光子的量子狀態寫入一個銣原子中,經過180微秒後將其讀出。最新突破有望助力科學家設計出功能強大的量子電腦,並讓其遠距離聯網構建“量子網路”。

首次實現線性方程組量子演算法

2013年6月8日,由中國科學技術大學潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊的陸朝陽、劉乃樂研究小組,在國際上首次成功實現了用量子電腦求解線性方程組的實驗。該研究成果發表在6月7日出版的《物理評論快報》上。

金剛石建成世界上首台量子電腦

2015年12月,以杜教授為首的中國科技大學研究人員小組建立了一個新的系統,這個系統可以使用相應的方式退出體系結構。比起普通二進位電腦,這一系統使得能夠進行更為大量的計算。通常,這種系統都需要帶有氣候檢測的特別裝備實驗室,而這一新模型卻能夠在普通的房屋內也能夠安全存放。其量子計算能夠在普通室溫的條件下工作,這是借助于金剛石中少量的氮來完成的。​

研究意義

迄今為止,世界上還沒有真正意義上的量子電腦。但是,世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算,方案並不少,問題是在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了。已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子幹涉等。還很難說哪一種方案更有前景,隻是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場,最後脫穎而出的是一種全新的設計,而這種新設計又是以某種新材料為基礎,就像半導體材料對于電子電腦一樣。研究量子電腦的目的不是要用它來取代現有的電腦。量子電腦使計算的概念煥然一新,這是量子電腦與其他電腦如光電腦和生物電腦等的不同之處。量子電腦的作用遠不止是解決一些經典電腦無法解決的問題。

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