量子计算进展到了什么地步?

量子计算进展到了什么地步?

有声读物」「2019-11-03」「得到APP」 由罗辑思维团队出品,提倡碎片化学习方式,让用户短时间内获得有效的知识,旨在为用户提供“省时间的高效知识服务”。
你好,这里是《邵恒头条》,我是邵恒。 我们可能在网上见过这么一句玩笑话,“遇事不决,量子力学”。事实上,量子计算究竟是怎么回事,现在发展到什么阶段了,...

你好,这里是《邵恒头条》,我是邵恒。

我们可能在网上见过这么一句玩笑话,“遇事不决,量子力学”。事实上,量子计算究竟是怎么回事,现在发展到什么阶段了,不是专业人士可能真的没机会了解。

这期的#邵恒帮你问#,我就为你邀请到了一位在量子计算方面的专业人士,李铁夫老师。李铁夫老师是清华大学微电子学研究所的副研究员,从事量子计算机科研工作将近20年,最近还在得到上线了一门新课,就叫做《前沿科技——量子计算》。

今天,我和李铁夫老师一起挑选了3个有代表性的问题,和你聊聊量子计算。

1. 阿杜、albatross、程卓 Daniel、大海:老师好,量子有没有具体物理实体?是不是光子?为什么会有叠加态和量子纠缠?能不能用最简单的方式解释,让我们非专业的人也能听懂?

回答:要讲清楚量子物理的原理,太难了。在大学里,专业学生都要学好几个学期。所以,我在这儿只能简单介绍一下,让你感受一下量子世界的神奇。

首先,我要告诉你,你不要把量子当成一个像电子、原子这样的实体。你问这个问题,可能觉得,量子是一个比原子、电子还小的东西。你脑子里的模型,已经习惯了我们找到越来越小的单元,去理解和解释这个世界。物理学家也曾经这么期待,这个世界可以拆分得越来越小,只是尺度更小了,但基本规则是不变的。

不过,在100年前,物理学家发现,用以往的基本规则,也就是经典物理,在尺度很小的情况下,没办法解释实验中的新现象了。所以,建立了新规则,就叫作量子物理。

所以,对于普通人来说,你可以把“量子”这个概念当作一个开关。当你听到量子的时候,就代表着我们解释的规则变了,从经典物理换到了量子物理。

那经典物理和量子物理这两套规则有什么关系呢?就像宏观经济学和微观经济学一样。我们描述宏观经济学的理论,没法儿完全解释微观经济学的现象。虽然我们知道,微观构成了宏观,但它们是两套解释模型。

不严谨地说,我们要把能量分成一份一份的,才能解释新现象,这就是量子的思想。物理学家在这个基础上,建立了一套数学解释体系,叫做量子力学。反过来,我们通过量子力学的规则,也可以完成对量子的操控,进行计算工作,就是量子计算。

这个时候,再来看前面的问题。量子有没有实体?电子、光子是不是量子呢?其实,量子更是一个概念,一种思想。比如电子、光子,它们都是量子体系,因为它们遵循了量子物理的规则。

接下来,我给你简单解释一下量子叠加和量子纠缠。

量子叠加是什么呢?我打个比方。你可能听说过薛定谔的猫,这就可以理解成一只量子猫。

这只猫在同一时刻,用我们经典物理的规则来看,要么是生,要么是死,没有其他可能性。但是,量子物理中,它能够处于既生又死的状态,可能是20%生80%死,也可能是一半生一半死,甚至生死的比例还可以随时间发生变化。那么,这只猫所处的这种状态,在量子物理中称作“量子叠加态”,意思是说,有两种基本状态叠加在一起。你可能觉得有点难理解,没关系。

再来说说量子纠缠。就是说,如果几个量子之间产生了纠缠,那这几个量子就丧失了自我,成为了一个集体。比如说,一个量子在地球,另一个在银河系边上。即便我们只是观测其中一个,另一个也会马上变化。

上面我所说的,不论是量子纠缠还是量子叠加,都是我们发现的现象。至于说,它们为什么会这样,我们无法解释。我们现在只能用数学公式去描述它。

2. agentle深海、浪漫骑士:前几年量子计算机还只是愿景般的存在,那么这次谷歌的重大突破究竟有多重大?中国现在量子计算的研发在世界上处于什么水平?

回答:要说说最近谷歌的量子霸权代表着什么,我想先说一说量子计算机的发展。

量子计算的理论从上世纪八十年代就开始了,不过真正把它运用到计算上,还是从量子比特真正实现开始的。比特就是比特币的比特,你可以把它理解成是一个信息的基本单位,量子比特就是说,计算机里的信息单位可以用量子物理规则来实现了。

以我所从事研究的超导量子比特为例,它在1999年的时候,在日本NEC公司蔡兆申教授的实验室第一次被成功演示。后来,各种形式的量子比特也被逐一实现,比如离子阱、量子点、核磁共振等形式的量子比特。这意味着,量子计算机的诞生。

实现了量子比特之后,大家就开始扩大量子比特的规模。科学家们开始熟悉这个新生事物,研究了量子比特的各种设计方案,尝试了很多材料和结构。其中,标志性的进展有两个,一个是2017年的时候,IBM发布了20个超导量子比特的量子计算机;另一个是2018年,美国初创企业IonQ公司发布了11个量子比特的离子阱量子计算机。

随着量子比特数量和质量的增加,运算能力也越来越高了。直到最近,发生了一件里程碑式的事件,Google宣布,在他们53个量子比特的量子计算机中实现了“量子霸权”。

所谓的量子霸权,就是说对某一个计算问题,量子计算拥有了超越所有经典计算机的计算能力。Google就宣称,他们的量子计算机成功地在3分20秒时间内,完成了一个专门的计算问题,而传统计算机计算这个问题需要1万年的时间。

不过,这只是解决了一个特定的计算问题。我必须要承认,一台大规模的、能解决实际问题的量子计算机,什么时候能够实现,学术界还没有一个明确的时间点。但好消息是,量子计算这种计算思想,已经在数学上被严格证明了,而且迄今为止,我们并没有发现任何物理学上的困难,会限制量子计算机的实现。所以,量子计算被实现的可能性很大。

那我们国家的量子计算研究进展如何?我可以很自豪地告诉你,中国处在国际科研的第一梯队。在超导电路、拓扑器件、量子点、离子阱和光子等多个可行方案上,都有团队做出了世界级的成果。因此,我有理由相信,在量子计算机的研发过程中,中国一定会取得跟国力匹配的科技地位。

如果你想了解更多,我在头条的第90篇《谷歌的“量子霸权”值得担心吗?》(戳此收听),也有详细的说明。如果有兴趣,可以点击以上文稿链接看看。

3. 航航航航航帮菜、馨轲:量子计算对我们普通百姓的生活到底有什么看得见的影响?比如以后的密码都没用了怎么办?对区块链有影响吗?

回答:首先,我们来谈谈量子计算机破解密码这件事。

现在我们常用的一种加密方法,叫做RSA加密。理论上来说,如果要破解它,需要经典计算机几百万年的时间,但是如果用量子计算机,几分钟就能破解了。

但是,我们还做不出这么一台量子计算机。据估算,想要真正破解RSA加密,需要一台含有至少百万个量子比特的量子计算机,而今天世界上最好的量子芯片,也只有53个量子比特。所以,从理论到实际应用,还有很长的路要走。

就算RSA加密体系能够被量子算法破解了,还有其他常用的量子加密方案,我们还没有对应的量子算法,比如比特币所用的椭圆曲线加密算法。 所以,就算现在手头就有一台量子计算机,也没法在短时间内破解比特币。

当然了,现在没有,并不代表以后永远不会有。科学家们已经想到这一点了,对量子加密方案进行了研究。一旦量子计算机对现有的密码体系构成了威胁,就可以立刻启用量子加密技术,建立起新的平衡,确保社会秩序、国家安全不会受到侵害。

其实,除了破解密码之外,量子计算机还有更大更重要的用武之地。比如,可以利用量子模拟来研究特效药、提高能源效率;可以利用量子优化来帮助解决交通拥堵、提高投资收益等等。解决这些问题的核心就在于,用量子计算机可以算得更快,处理更大的数据量,这些领域有可能成为量子计算第一批实用化和商用化的突破,给我们普通人的生活带来切实的改变。

以上就是李铁夫老师的分享。如果你还想了解更多关于量子计算的知识,推荐你去学习李铁夫老师的《前沿科技——量子计算》。

好了,这就是本周的#邵恒帮你问#。我是邵恒,我们明天见。

《邵恒头条》146期:为什么印尼教育部长值得你关注?

《邵恒头条》146期:为什么印尼教育部长值得你关注?

《邵恒头条》145期:什么是社交网络的暗黑心理?

《邵恒头条》145期:什么是社交网络的暗黑心理?

《邵恒头条》144期:如何突破用户增长的极限?

《邵恒头条》144期:如何突破用户增长的极限?

《邵恒头条》143期:为什么会出现“全球领导力真空”?

《邵恒头条》143期:为什么会出现“全球领导力真空”?

《邵恒帮你问》:如何用行为经济学炒股?

《邵恒帮你问》:如何用行为经济学炒股?

《邵恒头条》142期:数据如何“资产化”?

《邵恒头条》142期:数据如何“资产化”?