全文共3156字，預(yù)計(jì)學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)10分鐘

全文共3156字，預(yù)計(jì)學(xué)習(xí)時(shí)長(zhǎng)10分鐘

來源：Unsplash

上個(gè)月，在《自然》雜志10月23日發(fā)表的一篇論文中，研究者稱谷歌團(tuán)隊(duì)研發(fā)的量子計(jì)算機(jī)“西卡莫（Sycamore）”僅用200秒就能完成一次運(yùn)算任務(wù)。而且這一運(yùn)算任務(wù)非同尋常——這一任務(wù)即使由目前世界上最強(qiáng)大的傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)來運(yùn)算，也需要耗費(fèi)1萬(wàn)年以上的時(shí)間。 此研究成果一發(fā)布，震驚全球。相關(guān)報(bào)道接踵而至，甭管人愿不愿意，一時(shí)間大家被強(qiáng)行科普各種知識(shí)，并都不約而同地響應(yīng)號(hào)召，發(fā)出一聲“斯國(guó)一”的呼聲。人人都是場(chǎng)面擔(dān)當(dāng)，撐場(chǎng)技術(shù)杠杠滴（包括小芯）。 據(jù)相關(guān)業(yè)內(nèi)專家介紹，其實(shí)沒啥，這只是量子計(jì)算運(yùn)算能力的冰山一角。目前這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展水平就好比1903年賴特兄弟在基蒂霍克進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)飛機(jī)起飛測(cè)試：量子計(jì)算才剛剛啟航，但最終我們必將手摘星辰。

來源：Unsplash

數(shù)十萬(wàn)年來，人類僅有的工具是棍子、石頭、大腦，最后是火種。但是我們發(fā)明了最偉大的工具——計(jì)算機(jī)。 從20世紀(jì)中葉到現(xiàn)在，在極短的時(shí)間里，計(jì)算機(jī)的處理能力幾乎每隔幾年就翻一番，現(xiàn)在我們已經(jīng)進(jìn)入了指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的時(shí)代。1965年，英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾（Gordon Moore）觀察到，微芯片上的晶體管數(shù)量似乎每?jī)赡瓯銜?huì)增加一倍，因此成本便會(huì)降低，計(jì)算機(jī)性能也會(huì)提高。這種增長(zhǎng)趨勢(shì)造就了如今的現(xiàn)代世界。但是現(xiàn)在，由于計(jì)算機(jī)零件越來越接近原子尺寸，該法則，即摩爾定律，即將達(dá)到極限。 計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是簡(jiǎn)單零件的集合，每個(gè)零件都有明確的職責(zé)。有的負(fù)責(zé)存儲(chǔ)，有的依據(jù)邏輯運(yùn)算和數(shù)字運(yùn)算處理數(shù)據(jù)，還有的負(fù)責(zé)通過指令控制所有零件。 計(jì)算機(jī)芯片是最基本的零件之一。每個(gè)芯片包含各種模塊，每個(gè)模塊都有特定的功能，都有由晶體管制成的邏輯門。晶體管的連通與斷開表現(xiàn)為二進(jìn)制中的0或1，即開或關(guān)。邏輯門由一系列晶體管組成，這些晶體管可以自由組合進(jìn)行更高級(jí)的運(yùn)算，例如乘法和除法。有了這些晶體管，就可以對(duì)大量的信息進(jìn)行計(jì)算，這樣一來，人們就能夠從事重要的工作，比如科學(xué)研究，當(dāng)然了，還可以打游戲！打游戲！打游戲！（重要的事情說三遍）

目前，一個(gè)晶體管制程可以達(dá)到40納米甚至更小，幾乎只有人體平均細(xì)胞大小的500分之一 晶體管是電子流的開關(guān)。宏觀層面上看，晶體管越來越小，越來越接近量子物理學(xué)所規(guī)定的最小尺度。目前，一個(gè)晶體管制程可以達(dá)到40納米甚至更小，幾乎只有人體平均細(xì)胞大小的500分之一。 本質(zhì)上而言，目前晶體管的工作規(guī)模已經(jīng)接近原子級(jí)。在這一層面上，電子不需要流動(dòng)——它們可以通過“量子隧穿”移動(dòng)。

來源：Unsplash

因此，利用量子物理學(xué)，我們可以制造量子計(jì)算機(jī)。現(xiàn)在，因?yàn)橛辛肆孔颖忍兀忍夭辉偈亲钚〉男畔挝涣恕Ｕ绫忍鼐哂袃煞N狀態(tài)一樣，量子比特也僅呈現(xiàn)兩種狀態(tài)，但是這些狀態(tài)可以用原子的任何物理性質(zhì)（例如粒子的自旋、磁場(chǎng)、水平/垂直極化）來描述。 除此之外，在量子物理學(xué)中，狀態(tài)并非只能是兩種（“開”或“關(guān)”/“是”或“否”）——它們還可以“疊加”。疊加是一種量子特性，意味著粒子的狀態(tài)可以是上述狀態(tài)的任意結(jié)合或按比例疊加。就像薛定諤的貓一樣，粒子可以成為任何東西，但是在實(shí)際檢測(cè)或觀察的時(shí)候，它只會(huì)處于一種狀態(tài)。

因此，不觀察的時(shí)候，粒子可能會(huì)部分垂直極化、部分水平極化。而觀察的時(shí)候，粒子將僅呈現(xiàn)這些狀態(tài)的其中一種。 疊加的真正意義在于現(xiàn)有的潛在組合數(shù)量會(huì)急速增長(zhǎng)。在常規(guī)計(jì)算中，4比特會(huì)產(chǎn)生16種可能的組合，但是只能使用其中一種。相比之下，4個(gè)量子比特實(shí)際上可以同時(shí)存儲(chǔ)所有這16個(gè)值。容量有限不再是問題。 量子比特還表現(xiàn)出另一個(gè)奇妙的特性——量子糾纏（quantum entanglement）。無論兩個(gè)量子比特在物理世界中有多遠(yuǎn)，它們都會(huì)神秘地聯(lián)接在一起，對(duì)彼此的狀態(tài)做出反應(yīng)。利用這一特性，我們可以測(cè)量一個(gè)量子比特，同時(shí)知道與其糾纏的量子比特的屬性。

量子互聯(lián)網(wǎng)將極大拓寬信息獲取渠道，分布式計(jì)算工作有望達(dá)到新高度

來源：Unsplash

一句題外話，量子糾纏也促進(jìn)了量子隱形傳態(tài)的研究。只要將一對(duì)已經(jīng)糾纏的粒子放置在不同的地點(diǎn)，無論它們之間相隔多遠(yuǎn)，都可以利用傳統(tǒng)的通信方法將其中一個(gè)粒子的狀態(tài)發(fā)送給糾纏的另一方。 另一個(gè)可以利用的量子特性稱為量子比特操縱。常規(guī)的計(jì)算邏輯門得到一組輸入，給出一個(gè)輸出。“量子門”則是輸入一個(gè)疊加的量子比特，旋轉(zhuǎn)它改變機(jī)率，輸出一個(gè)新的疊加。此時(shí)可以測(cè)量量子比特，得到一系列0和1來代表所需的數(shù)據(jù)。這一過程的關(guān)鍵在于所有可能的答案會(huì)同時(shí)產(chǎn)生，而不像傳統(tǒng)邏輯門僅有一個(gè)輸出。得到的答案可能是正確的，也有可能是錯(cuò)誤的（盡管概率非常低）。但是，由于已知所有概率，因此檢查剩下的答案直到找到正確的答案，也不需要花費(fèi)太多時(shí)間。 盡管量子計(jì)算目前并不完美，但是除存儲(chǔ)容量外，其真正與眾不同之處在于它的快速和高效。數(shù)據(jù)庫(kù)就是量子計(jì)算絕佳的應(yīng)用之一。現(xiàn)在，我們可以存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，而且搜索速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)計(jì)算。

“我個(gè)人認(rèn)為，量子計(jì)算將幫助我們理解我們自身行為產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，解決一些非常有趣的問題。有些系統(tǒng)每天生成數(shù)十億個(gè)數(shù)據(jù)集，而這些數(shù)據(jù)集或許可以解決一些影響社會(huì)的關(guān)鍵問題……”——IEEE量子計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)工作組主席威廉·赫爾利

量子計(jì)算還能以驚人的速率進(jìn)行海量運(yùn)算、生成大量概率，這也促進(jìn)了模擬技術(shù)的發(fā)展。這些量子模擬將幫助我們研究幾乎一切需要進(jìn)行大量數(shù)字運(yùn)算的事物，如天氣、遺傳和疾病、量子物理學(xué)等。

基于此功能，量子計(jì)算將極大地促進(jìn)以下研究領(lǐng)域的發(fā)展： ?化學(xué)工程和分子建模?因子分解和密碼學(xué)?改進(jìn)對(duì)新空間發(fā)現(xiàn)和SETI數(shù)據(jù)（Search for ExtraTerrestrial Intelligence 搜尋地外文明）的分析?人工智能和機(jī)器智能的發(fā)展?土木工程和城市規(guī)劃?反恐斗爭(zhēng)中的臉部識(shí)別和模式識(shí)別?粒子物理學(xué)建模?基因工程和遺傳作圖?天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè) 量子互聯(lián)網(wǎng)將極大拓寬信息獲取渠道，分布式計(jì)算工作有望達(dá)到新高度。

來源：Unsplash

量子計(jì)算所帶來的負(fù)面影響之一是，人們利用量子計(jì)算破解密碼或其他安全防御措施的速度會(huì)比利用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行的暴力破解快很多。 我們需要一個(gè)新的范例來確保進(jìn)步，而量子計(jì)算就是這樣的范例。也許短期內(nèi)我們不會(huì)看到家家戶戶都有量子計(jì)算機(jī)，但是科學(xué)家和研究人員已經(jīng)在將其應(yīng)用于大型項(xiàng)目了。 對(duì)當(dāng)今世界而言，信息時(shí)代是一個(gè)非常繁榮的時(shí)期：計(jì)算能力的發(fā)展促進(jìn)了人類絕大部分領(lǐng)域的驚人進(jìn)步，同時(shí)也極大地提高了大多數(shù)人的生活質(zhì)量。現(xiàn)在，我們每年產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)和新知識(shí)比整個(gè)人類歷史上所記錄的還要多。但是，隨著人工思維領(lǐng)域不斷的發(fā)展，我們正在使用的這一工具從某些方面來看甚至比原子能更強(qiáng)大、更危險(xiǎn)。 量子計(jì)算可能會(huì)消除人工智能目前發(fā)展水平和“奇點(diǎn)”（即未來某一時(shí)刻人工智能產(chǎn)生了自我意識(shí)）之間可預(yù)計(jì)的任何差距。倘若落入壞人之手，量子計(jì)算可能會(huì)被用于基因篡改，制造超級(jí)戰(zhàn)士或超級(jí)疾病。 因此，我們需要繼續(xù)全力推動(dòng)量子計(jì)算研究，從量子計(jì)算的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)中獲益的同時(shí)也能認(rèn)識(shí)到這些危險(xiǎn)。運(yùn)用好這把雙刃劍，繼續(xù)推進(jìn)科技發(fā)展，為全人類的未來造福。

希望有朝一日可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)！

來源：Unsplash

留言 點(diǎn)贊 關(guān)注

我們一起分享AI學(xué)習(xí)與發(fā)展的干貨

如需轉(zhuǎn)載，請(qǐng)后臺(tái)留言，遵守轉(zhuǎn)載規(guī)范