你正在使用的浏览器版本过低，将不能正常浏览和使用知乎。量子十问之七：量子计算，这可是一个颠覆性的新技术
我的图书馆
量子十问之七：量子计算，这可是一个颠覆性的新技术
出品：科普中国制作：中国科学技术大学 郭光灿 中国科普博览监制：中国科学院计算机网络信息中心量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息、运行的是量子算法时，它就是量子计算机。现在或许还无法准确预测“量子计算机时代”何时到来，但在科学家看来，已经没有什么原理性的困难可以阻挡这种革命性、颠覆性产品的诞生。打开应用保存高清大图量子计算机研制（图片来源于网络）以半导体芯片为核心的计算机的发明成就了现代信息技术产业（硬件、软件、网络、通信等）的高速发展，深刻改变了人类的社会活动形式，甚至是国防安全和国家核心竞争力。半导体集成电路芯片几十年以来一直沿着“摩尔定律”发展，单位芯片上晶体管数目越来越多，集成度越来越高。截止到目前，集成电路芯片制造工艺处于14&10nm技术代量产阶段，更小尺寸的技术代（7nm和5nm）处于研发阶段。在可预见的未来将达到控制电子的物理极限，当单个晶体管缩小到只能容纳一个或几个电子时，就会出现单电子晶体管（量子点），量子隧穿效应将不可避免的影响电子元器件的正常工作。尽管科研人员正在努力通过各种手段进一步延续晶体管的制程尺寸并同时开发多核芯片技术，但相关技术只能在有限范围内优化传统芯片性能，无法阻止“摩尔定律”必将被打破的历史趋势。打开应用保存高清大图集成电路芯片（图片来源于网络）当现代计算机芯片在经典物理领域内无法进一步提升结构性能时，可以研究探索有别于当前计算机架构的新型结构和多核芯片，或者研究量子力学规律开发量子计算。新型结构需要抛弃当前计算机所遵循的冯·诺依曼架构，而量子计算则需要改变现有半导体芯片的基本结构，利用量子叠加和量子纠缠来实现逻辑运算。国际半导体技术发展路线图认为多核芯片等技术只能短期延续摩尔定律，中长期必然要发展以量子物理为基础的量子计算等颠覆性、革命性新型器件来超越摩尔定律，信息的量子化趋势将不可避免。量子计算是芯片尺寸突破经典物理极限的必然产物，是后摩尔时代具有标志性的技术。对于现代计算机而言，通过控制晶体管电压的高低电平，从而决定一个数据到底是“1”还是“0”，采用“1”或“0”的二进制数据模式，俗称经典比特，其在工作时将所有数据排列为一个比特序列，对其进行串行处理。而量子计算机使用的是量子比特，量子计算机能秒杀传统计算机得益于两个独特的量子效应：量子叠加和量子纠缠。量子叠加能够让一个量子比特同时具备0和1的两种状态，量子纠缠能让一个量子比特与空间上独立的其他量子比特共享自身状态，创造出一种超级叠加，实现量子并行计算，其计算能力可随着量子比特位数的增加呈指数增长。理论上，拥有50个量子比特的量子计算机性能就能超过目前世界上最先进的超级计算机“天河二号”，拥有300个量子比特的量子计算机就能支持比宇宙中原子数量更多的并行计算，量子计算机能够将某些经典计算机需要数万年来处理的复杂问题的运行时间缩短至几秒钟。这一特性让量子计算机拥有超强的计算能力，为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，并可揭示高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制，为先进材料制造和新能源开发等奠定科学基础。打开应用保存高清大图量子计算机工作原理（图片来源于网络）此外，量子计算的信息处理过程是幺正变换，幺正变换的可逆性使得量子信息处理过程中的能耗较低，能够从原理上解决现代信息处理的另一个关键技术--高能耗的问题。因此，量子计算技术是后摩尔时代的必然产物。量子计算技术不仅能克服现代半导体工艺因为尺寸减小而引起的热耗效应，还能利用量子效应实现功能强大的并行计算，极大地提高计算速度和信息处理能力。规模化通用量子计算机的诞生将极大地满足现代信息的需求，在海量信息处理、重大科学问题研究等方面产生巨大影响，甚至对国家的国际地位、经济发展、科技进步、国防军事和信息安全等领域发挥关键性作用。
（一）国家影响力信息是当今世界最为重要的战略资源，计算机技术是现代信息技术的核心，信息处理能力是信息时代的基本生产力，是国家的核心竞争力，体现国家综合实力的重要标志。二战结束以来，美国一直占据超级计算机研发的尖端，最初主要用于计算导弹弹道以及核武器模拟计算等军事活动当中，后来逐步应用到科研、产品研发、金融等各个领域。随后，计算机和互联网技术在美国迅速发展壮大，并在世界范围内扩展和加速全球化进程，美国在此过程中积累了其强大的国际影响力。量子计算科技革命给了我国一个从经典信息技术时代的跟踪者、模仿者转变为未来信息技术的引领者的、不可错过的伟大机遇。量子计算技术是一种颠覆性技术，关系到一个国家未来发展的基础计算能力，一旦形成突破，会使掌握这种能力的国家迅速建立起全方位战略优势，引领量子信息时代的国际发展。打开应用保存高清大图（图片来源于网络） （二）经济影响力量子计算机能克服现代计算机发展所遇到的能耗和量子效应问题，从而摆脱半导体行业面临的摩尔定律失效的困境，同时突破经典极限，利用量子加速、并行特性解决经典计算机难以处理的相关问题。作为现代计算机的颠覆者，未来量子计算机会像经典计算机一样形成庞大的技术产业链，在国民经济生活中产生重大影响。其突破必将为信息和材料等科学技术的发展开辟广阔的空间，成为后摩尔时代和后化石能源时代人类生活的技术依托。量子计算机的研制必将带动包括材料，信息，技术，能源等一大批产业的飞跃式发展。量子计算机强大的并行计算和模拟能力，将为密码分析、气象预报、石油勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案，从而为提高国家整体经济竞争力创造条件。打开应用保存高清大图量子计算与气象预报（图片来源于网络）（三）科技影响力过去50年以来，半导体及信息行业的技术发展经历过数次突破，从处理器的运算速度到存储器容量，再到网络带宽，每一次突破之后都能带来巨大的社会进步。目前，海量数据处理已成为急需攻克的壁垒。当前计算机处理海量数据的能力非常薄弱，传统计算机已经远远无法满足信息量爆炸式增长的需求，迫切需要从原理上突破超大信息容量和超快运算速度的瓶颈，而量子计算机正好能有效满足这一需求。量子计算机在科学研究领域具有广泛应用前景。学术界认为，在量子计算机达到大规模应用的比特数之前，将首先用于对量子体系的模拟。量子计算机利用其特殊的量子力学原理，将为强关联等物理学提供完美的检验平台。同时量子计算对于生物制药、机器学习、人工智能领域将产生深远影响，并对提高国家科技影响力起到积极作用。打开应用保存高清大图人工智能（图片来源于网络）（四）军事影响力量子物理与计算科学第一次大规模结合的直接原因就是研制核心武器的需求。在计算技术的发展历程中，军事应用价值始终是其重要推动力之一。量子计算机的强大功能应用到国防建设时，其强大的运算、搜索、处理能力，将为未来武器研发提供计算、模拟平台，缩短研发周期，提高武器研发效率。还将在未来战场上破译加密密文，为及时高效准确的情报和战况分析提供技术支撑，提升作战能力，同时在战场计划、组织决策、后勤保障等方面发挥巨大作用，甚至有可能改变未来战争的形态，掌握其核心技术能够极大地增强国防综合实力。打开应用保存高清大图量子物理与军事（图片来源于网络）
（五）国家信息安全量子计算机最受关注的重要应用之一是破译现代密码体系。理论研究表明，目前使用的RSA公开密钥体系在量子计算机面前将不堪一击。构建于基于经典保密系统之上的安全体系将变得无秘可言。此外，量子计算对于信息安全的威胁还具有前溯性，如果现在的通信网络流量遭到窃听并被存储下来，未来潜在的对手利用量子计算能力，就能对这些通常加密的信息进行破解，从而在多年以后将威胁范围追溯到当前。量子计算机的研制已经成为国际社会关注的焦点，其对国家安全体系的重大意义不言而喻。量子计算机纵然有无比强大的颠覆性功能，然而通用量子计算机的研制过程是相当复杂的。研制量子计算机的关键在于量子比特的制备。量子比特非常脆弱，外界任何微弱的环境变化都可能对其造成破坏性影响。因此，量子计算机的核心部件通常处于比太空更加寒冷的密封极低温环境中，防止受到其他环境因素的干扰。量子比特的制备方式存在多种方案，经过近二十年的发展，国际主流研究集中到了超导量子比特、半导体量子点、囚禁离子、钻石空位和拓扑量子比特等。由于量子计算对于国家安全及经济发展的巨大影响，世界各国政府持续高强度资助量子计算机的研制。毫无疑问，美国在量子计算机研制上是国际最领先的，并且有着完整的布局。虽然量子计算研究的进展低于十年前的预期，但还是让人们看到了突破可集成化量子计算机技术瓶颈的希望。特别当量子比特的保真度突破了容错量子计算的阈值，使得一些基本量子算法得到演示。这些巨大的成就吸引了一些国际商业机构和政府部门的极大关注。打开应用保存高清大图（图片来源于网络）量子计算机研制已经进入一个十分关键的时刻，国际上超大计算机、信息企业都投入巨大人力、物力来研制量子计算机。主要包括：2012年微软研究院（美国）成立了量子体系结构与计算研究组，主要的目标是实现量子计算机软件体系结构, 包括量子程序设计语言及编译系统。2013年谷歌公司与美国国家航空航天局（NASA）联合成立了量子人工智能实验室，研究如何将量子计算机应用于大数据分析与机器学习。日谷歌宣布美国UCSB大学的 Martinis教授研究组加入谷歌公司研发量子计算机处理器。2014年 IBM宣布耗资30亿美元研发下一代芯片（五年计划），主要是量子计算与神经计算。2015年世界最大的芯片制造商Intel公司宣布投入巨资与荷兰代尔夫特理工大学合作研发基于硅量子点的量子计算机，并于近日开发出了将量子计算机需要的超纯硅附着在传统微电子工业标准晶圆上的技术，以期抢占半导体量子计算机研制的制高点。2015年5月，全球最大的国防工业企业洛克希德.马丁(Lockheed Martin)与马里兰大学合作研发集成量子计算平台。日IBM公司发布了5个量子比特的量子计算云服务。日马里兰大学与美国国家标准与技术研究院（NIST）发布5个量子比特的可编程量子计算机。美、日、欧等发达国家在前期已经投入大量研发资金之后，2016年4月欧盟又宣布于2018年启动总额10亿欧元的量子技术项目，促进包括通用量子计算机等在内的多项量子技术的发展。同月，澳大利亚政府宣布在澳大利亚量子计算与通信技术中心成立量子计算实验室，进一步集中对半导体硅基量子芯片等研究加大投入，以期抢占半导体量子计算的制高点。我国政府也很重视量子信息技术的发展，在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（年）》中将“量子调控研究”列为四个重大科学研究计划之一，给予量子信息技术稳定的研究支持，做出了一系列创新性研究成果，在某些方面已经处于国际领先地位，特别是基于量子物理的新型量子保密通信技术已逐步迈向实用化产业化。然而实用化量子计算机的研制是一个系统工程，既要以量子物理为基础进行量子计算模型的原理性创新，又要从材料体系，结构工艺，系统构架和软件控制等工程技术创新和积累，我国在现代工艺技术上的基础薄弱，在核心电子器件、高端通用芯片、基础软件、极大规模集成电路制造装备等长期落后，也导致我国量子计算的研究大都局限于原理验证性和演示性层面，缺乏系统深入的实验平台和以实用化量子计算机为目标的研究队伍。特别是在可扩展的固态量子比特研究体系上，国内只有中国科学技术大学、南京大学、清华大学、浙江大学和中国科学院物理研究所等少数单位开展相关研究。虽然经过近几年不懈努力，我们在半导体量子点和超导量子比特研究中取得了一系列重大突破，在某些方面达到了世界一流水平，但是与国际领先水平还有差距，特别是在人力和物力方面的投入与欧美国家相比还远远不足。打开应用保存高清大图（图片来源于网络）量子计算机的研制需要物理、材料、信息和计算机科学等多学科的紧密协调和结合，从而实现从大规模器件的制备向微电子工程方面迈进。通用量子计算机的研制还有很长的路需要走，量子计算机的研制将伴随着经典计算的发展一起前进，相信随着量子比特的保真度达到容错量子计算的阈值，量子计算机的研究已经从实验室阶段向工程技术化阶段迈进，越来越多的研究单位和大型公司企业将进入，从而加速可实用化通用量子计算机研制的进程。从先进的发展模式而言，各大公司与研究机构合作研制量子计算机是集科研机构、公司、政府部门等于一体的研发模式，这可能是未来推进量子计算机研制的一种有效模式。打开应用保存高清大图“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。
馆藏&123759
TA的推荐TA的最新馆藏[转]&[转]&[转]&[转]&[转]&[转]&© 淮安市楚秀网络传媒有限公司& 版权所有热门搜索：
当前位置：
量子计算技术究竟走到了哪一步？
作为一个热门概念，我们经常听到量子计算又有新突破的消息。但很少人清楚，今天的量子计算技术究竟走到了哪一步？到底有多少种实现量子计算的方式？本文将对这两个问题进行全面梳理，介绍如今各技术流派的发展，以及各科技巨头的研究情况。
　　谷歌的超导量子研究　　谷歌这边，他们雇佣了加州大学圣芭芭拉分校（University of California, Santa Barbara）的超导量子比特专家 John Martinis 。他研究过 D-Wave 的运行方式和缺陷。在 2014 年，谷歌把整个加州大学圣芭芭拉分校研究团队的全部十几个人，都给招募了。这之后，John Martinis 团队宣布，他们已经建成了 9 量子比特的机器，是目前世界上可编程的量子计算机中最大的之一，而且他们正在尝试扩大规模。为了避免大堆缠绕的电线，他们正在 2D 平面结构上重建该系统。系统会铺设在一块晶圆上，所有控制电路都蚀刻在上面。　　John Martinis 团队如今已有 30 名科学家和工程师。七月，他们用了三个超导量子比特来模拟氢分子的基态（ground state）能量，这展示了在模拟简单的量子系统上，量子计算机可以做到和传统计算机一样好。Martinis 表示，这个结果预示了拥有&量子霸权&的计算设备的力量。他还认为，谷歌一年造出 49 量子比特计算机的计划很赶时间，但或许有可能实现。　　ionQ和囚禁离子　　与此同时，ionQ 的 Chris Monroe 正在试图克服囚禁离子带来的各项挑战。作为量子比特，它们可以在几秒钟内维持稳态，这还多亏了真空装置和在环境噪音影响下仍能将其稳定的电极。但是，这些隔离措施意味着，量子比特之间的交互变得更难。Monroe 最近把 22 个镱离子纠缠成一条线形链（linear chain），但至今，他还未能控制或查询所有的离子对，而这是量子计算机必须做到的。　　控制组合体的难度，会随离子数目的增加指数级得升高。所以，加入更多离子是做不到的。 Monroe 认为，解决办法在于使用模组化的设计，用光导纤维把囚禁离子群连接起来，每个囚禁离子群约有 20 个离子。若用该方案，每个模组中的某特定量子比特都会成为该离子群的中心，从群中其他量子比特那接受信息，并与其他模组分享。这样，大多数离子会免于外部侵扰。　　最近，Monroe 逛了逛他在马里兰大学的六个实验室。在三个较老的实验室里，电线和真空管路一团团的垂下来。在一张特大桌子上，透镜和镜子乱成一堆，使用它们是为了改变激光光束的形状，并把光束反射入真空室设备的小孔里，那里面就是实验离子。头顶上的 HVAC设备们（加热设备，通风设备，空调）嗡嗡作响。　　另外三个新实验室就十分干净整洁，甚至空空荡荡显得有些古怪。Rube Goldberg 式的光学实验桌被整合激光装置取而代之。Monroe 说：&我们现在用的激光设备只有一个激光球，并且已经开启。&他焦急得想把 ionQ 的实验室赶快运作起来，让高薪聘来的研究人员们正式成为 ionQ 的雇员，以尽快投入到工作中，把他们在马里兰大学做的研究完善起来。多亏了和马里兰大学不同寻常的协议， ionQ 得到独家、免费的专利授权。下一年，他会把他的第一个sabbatical 假期用来建立 ionQ。他表示，私营企业对他们量子计算研究的资助，是他事业中最大的一笔钱。　　量子计算展望　　即便有巨额投资，量子计算在很长时间内，只会是各公司实验室里的商业秘密。有些大的研究机构，甚至是那些科技巨头的下属部门，倒愿意把研究成果在论文和会议上公布出来。他们认为发表最新进展是互利的。其中一个原因是，促使潜在客户思考量子计算机的应用前景。Monroe 解释说:&我们都需要一个市场。&与其遮遮掩掩，不如一起把量子计算这块蛋糕做大。　　还有一个很重要的原因：没有人对量子计算足够了解，但每个团队都选了一个量子比特类型做研究（没有精力研究多个）。谁知道他们选择的类型有没有前途呢？每种方案都需要不断地优化，扩大规模，最终才能应用于制造量子计算机。无论是制造基于超导体，还是硅的量子比特，都需要极高的连贯性和一致性。对它们冷却的冷冻装置也需要改善。囚禁离子需要更快的逻辑门，更紧凑的激光和光纤。拓扑量子比特仍需要被发明出来。简而言之，要面对的挑战太多，团队之间需要一定程度的相互合作、信息共享，才能加快进度。　　未来的量子计算机很可能是一个混合体，由超快的超导体量子比特对算法进行运算，然后把结果扔给更稳定的离子存储。与此同时，光子在机器的不同部件之间传递信息，或者在量子网络的节点之间。微软研究员 Krysta Svore 说：&能够想象，将来不同类型的量子比特会同时存在，并在不同任务中扮演不同的角色。&　　量子计算机是那么新奇古怪，甚至世界的顶级量子物理学家和计算机工程师都不清楚，商业化运营的量子计算机会是什么样儿。Svore 认为，研究量子计算机应当在行动中摸索。物理学家们只需要试着去造，现有的科技所能达到的最高深的计算机系统，然后面对这过程中出现的难题。 这是一个&制造，学习，重复&的过程。他说：&我们特别喜欢设想，造出了第一台量子计算机之后，就用它设计第二台量子计算机。&
责任编辑：Moon
免责声明：
本文仅代表作者个人观点，与
OFweek通信网
无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实，
对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅
作参考，并请自行核实相关内容。
邮箱/用户名：
忘记密码？
用其他账号登录： QQ
请输入评论
光通讯射频工程硬件工程
广东省/深圳市
四川省/成都市
广东省/深圳市
广东省/深圳市
广东省/深圳市
广东省/深圳市
北京市/海淀区
广东省/深圳市
广东省/深圳市
广东省/惠州市
*文字标题：
*纠错内容：
联系邮箱：
*验 证 码：计算表明：量子传输一个人需4500万亿年！
[导读]英国莱斯特大学物理研究小组探索量子隐形传输技术，计算表明完成一次《星际迷航》中的点对点量子传输需要4500万亿年！大约是宇宙年龄的350,000倍！
讯（Everett/编译）据国外媒体报道，看过《星际迷航》的朋友一定不会忘记这句经典的台词：斯科蒂，将我传输过去！其中涉及到量子隐形传输的技术，可以把物体从三维时空一处传输到另一处。《星际迷航》中的量子隐形传输可以在数秒内完成人体传输，但现实理论认为这一过程的发生需要4500万亿年量子传送“薛定谔的猫”（示意图）到目前为止，关于量子传输的研究仅仅停留在理论探索阶段，有研究人员表示该技术的掌握是先进文明的标志，将彻底改变空间旅行的途径，只需要量子传输就能进行空间旅行，根本不需要庞大而复杂的火箭。《星际迷航》中展示的量子传输技术可以应用于人体，从传输物品到人体显然又是一个飞跃。影片中传输人体的时间似乎只要一瞬，那么现实中量子传输理论从A点到B点需要多长时间呢？来自英国莱斯特大学的一组物理研究小组试图通过数学工具对其该课题进行探索，其中一名叫做大卫·斯塔基的研究人员称：根据我们的研究结果，如果完成一次人体瞬间转移需要的时间可能有点长，但是这种空间旅行方式仍然是可行的。那么具体的时间大约会是多少呢？一秒钟？一分钟？还是一个小时？影片中企业号飞船的量子传输通道可以在几秒钟之内完成点对点的隐形传输，但现实理论计算表明这个时间需要4,500,000,000,000,000年！即4500万亿年！大约是宇宙年龄的350,000倍！如果说星际迷航中的量子传输技术如同极速宽带，那么现实理论推导出的量子传输则更像拨号上网，实在是太慢了！研究人员进一步假设，如果我们通过技术手段将一个单位的人完成变成数据，那么整个物理结构将达到2.6乘以10的42次方数量级，我们使用一个29.5至30千兆赫的带宽，加上350,000倍的宇宙年龄（137亿年），从宇宙诞生到现在只传输过一个单位的人。毫无疑问，根据人类目前掌握的量子传输理论，依然无法理解这项超级技术，能掌握量子瞬间传输技术的物种才可跻身宇宙先进文明行列。
[责任编辑：quarkqiao]
您认为这篇文章与"新一网（08008.HK）"相关度高吗？
还能输入140字
Copyright & 1998 - 2017 Tencent. All Rights Reserved
还能输入140字}