什么是量子计算机?

准备彻底改变我们的计算能力,我们探索量子计算机如何工作以及使它们如此强大。

Kieran O'Brien的插图

Quantum计算机,因为他们的名字意味着,对量子力学的奇异原理进行操作以操纵信息,并准备彻底改变我们的计算能力。由于IBM和Google等公司已经建立了第一个原型,他们预计通过完成普通电脑可以处理的任务,以更高的速度,准确性和安全性提高技术前进。

这听起来非常令人印象深刻,但它们是如何工作的呢?

量子比特和叠加原理

量子计算机依赖于量子比特作为他们的基本信息单位。与传统二元计算机相反,其以1S或0S表示的信息为单位操作,QUBITS可以同时存在为“1”和“0”。这是可能的物理学家来电叠加原理,哪个指出量子系统可以同时存在于几个单独量子状态中。

记住斯卡金斯的猫?

这个思想的实验描述了一种情景,其中猫被放置在一个具有小瓶毒物和放射性原子的盒子里面。当原子衰减时,它会破坏小瓶并杀死猫,但没有打开盒子,无法了解猫是否活着或死亡。

本质上,在盒子被打开,猫的状态被“测量”之前,可以认为猫是同时具有这两种状态的,即猫是活的和死的叠加存在。

这是一个过度简化的,并且不到完美的手段,将量子力学与有形的东西联系起来。

Nevertheless, like Schrödinger’s cat, the quantum computer’s final calculation emerges only once the qubits are measured and “collapse” their quantum state to either a 1 or 0. This attribute allows a quantum computer with several superimposed qubits to store enormous amounts of data and quickly reason through complex problems, situations, or computing tasks by simultaneously exploring multiple pathways and choosing the most efficient one.

Qubits如何制作量子计算机?

量子比特的概念听起来相当简单,但实际上提出了一个工程问题,因为它们对外界干扰极其敏感,需要非常特定的压力、温度和绝缘才能正常运行。

量子比特是亚原子粒子,比如电子、被捕获的离子或光子,它们被隔离在受控的量子态中。这在物理上是通过控制粒子的激发态来实现的,例如使用激光脉冲,使它们处于叠加状态。

粒子所处环境的最微小变化——比如来自附近设备的外部电场或磁场,甚至来自外太空的辐射——可以提供使它们落下叠加所需的能量,这就是它们在超冷却的真空室中密封的原因,以防止任何干扰。

什么是量子纠缠,它如何使量子计算机更强大?

单个量子位元可以通过一种叫做量子纠缠的现象连接在一起。

在基本层面上,当两个量子粒子纠缠在一起时,它们以相同的量子态存在。改变一个粒子的量子状态(即通过测量它)可以瞬间改变另一个粒子的状态,即使它们相隔很远- - - - - -事实上,最近的实验已经证明了两张照片之间的缠结分开,距离为1203公里其中一个在地球上,另一个在轨道卫星上。爱因斯坦称这种明显的联系为“幽灵般的远距离作用”。

除了实现信息的瞬时和安全传输之外,叠加的Qubits可以以链式方式纠缠在一起,以指数增强量子计算机的功率。例如,具有八位的二进制计算机可以表示0到225之间的任何数字;具有八个Qubits的量子计算机可以同时表示0到255之间的每个数字。现在想象,如果这些额度与缠结颗粒的整个网络中的X合作伙伴纠缠在一起!

量子计算机将用于什么?

其目的不是为了将其用于日常任务,如发送电子邮件,制作电子表格,甚至是游戏。相反,量子计算机将成为解决问题的工具,因为它们的计算能力将允许它们进行复杂的计算、预测、模拟和数据库搜索。

例如,传统计算机难以在基本上基于量子力学的建模系统中的建模系统,例如了解复杂材料的行为和性质或准确地建模化学反应。这些系统的本质限制了经典的计算机解决它们的能力。

另一个希望是,量子计算机将能够解决需要探索数千种可能性和反复试验才能得到正确或最佳答案的问题。

例如,您有一份由桥梁连接的一千个岛屿列表,您希望创建一个访问每个岛屿的巡回赛,只有一次桥梁一次。问题的复杂性随着岛屿的数量指数呈指数级。仍然没有经典的算法可以比实际上通过所有可能的选项更好地确定最好的算法,以确定最好的选项,这可能需要多年的经典计算机才能探索。

人们希望,由于量子力学的原理,量子计算机能够在几秒钟内有效地解决这类问题。

什么是Quantum supremacy?

量子至上是指量子计算机能够优于传统系统或完成任务,甚至不可能为强大的超级计算机而完成的任务。术语本身是有争议的,有些人研究人员提议“量子优势”。

2019年,谷歌与美国宇航局和橡树岭国家实验室合作,据说取得了量子霸权当他们的量子计算机在几秒钟内完成一项需要超级计算机数千年才能完成的任务时。

虽然在这一成就周围有嗡嗡声,但在专家之间似乎很混合这一里程碑实际上已经实现。谷歌的Quantum Computer能够在200秒内进行计算,但其答案是否正确?

什么时候会制作通用量子计算机?

在叠加状态中保持QUBET并不容易壮举,甚至环境中最轻微的变化可能会导致它在计算或任务完成之前崩溃。这种现象,称为Quantum Decoherence.,是一个重要的问题,因为它允许错误溜进计算。

已经开发了算法以补偿此问题并添加更多Qubits也有帮助。但是,科学家们尚未创建一个无差错且广泛有用的量子计算机。

关于量子计算机是否会像他们所宣传的那样,专家们仍然存在一些争议,计算机科学家们肯定有他们的工作要做。谷歌和IBM等公司正在争夺该领域的领先地位,并预测通用量子计算机的发展在未来几年内

即使是这样,一些专家认为,它们可能不值得花费这么多精力因为存在一些无法克服的功能和成本方面的障碍。

该领域仍处于起步阶段,但如果成功,量子计算机将改变我们所知的技术。只有时间会告诉我们答案!

我们争取准确性和公平性。如果你看到一些看起来不对的东西,联系我们!