揭开量子计算机的神秘面纱

量子
  • 量子学派
  • 2019-10-09 00:15

人类未来最大的矛盾,是日益增长的数据处理与有限算力之间的矛盾!

1、算力即权力

可测宇宙原子总数约为10^80,而围棋走法有2.08*10^170,如果按照深蓝战胜卡期帕罗夫的穷举套路,就算 “天河3号”出马也会力竭。所以AlphaGo不计算所有的事件,而是采用蒙特卡罗模拟与人类对抗,最终曲线革命成功,但如果大BOSS“量子计算机”出战,什么抽样统计,什么概率分析,什么深度学习,没那么多废话,直接暴力枚举。就像武林各派华山论剑,潘建伟教授拿着一把AK47冲进去,管你是还是南帝北丐东邪西毒,一梭子下去,统统game over!­在超强算力面前,一切都是镜花水月。

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近期,谷歌研发团队在一篇论文中称,谷歌已经能够利用一台53量子比特的量子计算机实现传统架构计算机无法完成的任务。这一量子计算机在3分20秒内完成特定任务的运算,如果让目前世界排名第一的超级计算机——美国能源部橡树岭国家实验室的Summit执行同样任务需要大约一万年时间。

尽管最后这篇论文被删除,但如果最后论文审核通过,那量子计算就真的形成和实现量子霸权,从3分20秒完成超算1万年才能完成的任务,实现了8个数量级的跨越(1万年有5.256亿分钟)。

在现代社会,无论是与民生相关的天气预报,地震海啸预测,桥梁结构分析,还是与国家相关的导弹模拟,核聚变模型检测,以及宏观经济预测,无一不依赖于超强算力。可以说,当代社会最大矛盾之一就是日益增长的数据处理与有限算力之间的矛盾。

谁最先拥有量子算力,谁就拥有最大权力。

2、上帝算力从何而来

量子计算机为何具有如此超强算力,又要从薛定谔的那只猫谈起,这只连通阴阳两界的萌宠,一直沉睡于量子的叠加态中,处于既生又死的状态,我们不用去怀疑这种现象是否存在,这一点上,连伟大的反对派爱因斯坦也不得不接受这一现实。

量子计算机的计算原理和薛定谔的猫具有一致性,利用的都是“量子叠加态”。在计算机的经典模型中,最基础的构建要素--比特,只能存在于两种截然不同的状态之一:0或是1,这就是传统计算机里最底层的世界,只需要一个负责任的门卫,用“开”或“关”来处理进入数据,规则虽然简单,却能创造一个骇客世界,但也有一个缺点,在同一时间只能处理一个Bit,计算能力受到限制。而在量子计算机中,规则改变了,一个“量比特”不仅仅存在于传统的0和1状态中,还可以是一种两者连续或重叠状态。因为量子具有不确定性,量比特(Qubit)被描述成 α0|0⟩+α1|1⟩,其中 |α0|^2+|α1|^2=1。也就是说,普通计算机n比特可以描述2^n个整数之一,但n个量子比特可以同时描述2^n个复数,复数向量意味着什么,看看下图就明白,意味着任何一个数都是“何方可化身千亿, 一树梅花一放翁”!

理论上来说,一个Qubit就可以储存无限信息,量子比特中存储的信息将始终处于动态演化过程之中。也就是说,你每一次测量的并不是同一系统,而是不同世界,所以有人说“量子计算”是利用平行宇宙来计算,有超强的并行能力,虽然有些玄乎,但也不无道理。

假设你是黑客帝国里的“尼奥”,从“太极”出发要推开“两仪”中“1门”或“0门”其中一扇,然后再推开“四象”中“00门”,“01门”,“10门”,“11门”中的一扇,走完160次路径后找到了锡安。而追捕者史密斯如果通过传统计算,要想分析160多步的尼奥路径,需要的时间是47515528679349475857年,等他成功穷举出来,尼奥已经解放全人类了。但如果史密斯处于2^160万个平行现实中,每个世界只走一条路,那可能30分钟就能抓到尼奥,这就是叠加态的妙用,量子计算机可让你复制出2^160个史密斯,每个人只需要走一条路就可以了。不是超强算力选择了量子计算,而是量子计算天然具有超强算力。

3、摩尔定律走到尽头人类必须选择新助理

Intel创始人之一摩尔在上世纪60年代提出:当价格不变时,集成电路上容纳的元器件数目,约隔18-24个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。简言之,即计算机的性能以18个月翻一番的速度不断发展,这一内容在之后的半个世纪不断被观测与证实,因此被人们称为摩尔定律。我们可以很清楚地从下图看出,摩尔所做的推测与观测基本相符,CPU中晶体管的数量随时间成指数级增长。

按照摩尔定律,人类要做的事情只是降低晶体管大小,从而集成更多晶体管,然而晶体管的大小不能无限小,当到达一个原子大小时,任何纳米管和传统工艺都将对此毫无办法,酷睿I7处理器容纳了14亿个晶体管,再这么玩下去就逼近上帝底线。就算如此,但算力依然有限,计算机跑完一个可计算函数的时间里,太阳都可能燃烧殆尽。所以摩尔危机必然到来,经典计算机的发展已经到了尽头,人类必须选择新的可靠助手。

量子计算机应运而生。1982年逗逼天才费曼提出人类应该考虑量子计算机,1994年,贝尔实验室的休尔提出量子质因子分解算法,向大家展示了量子算法分解大数的质因数的速度——分解一个1000位的数字,传统计算机大约需要耗费10京(《孙子算经》载“万万曰亿,万万亿曰兆,万万兆曰京”)年的时间,而利用量子计算机的话,只需要20分钟左右。这种效率让暴力穷举看起来不再那么暴力,甚至还生出一分闲庭信步的气质。如果这一算法与量子计算机真正结合,现代银行、网络、电子商务体系的安全堡垒犹若纸糊的灯笼。

由于量子计算机的强大算力,和对国家安全、社会经济所构成巨大威胁,一时间量子计算机成为各国政府、实业界、企业界争相研究的课题,量子计算机从此上升到国家安全的战略层次。近年来,量子计算机的研究成果层出不穷:

2009年11月,世界首台可编程的通用量子计算机正式在美国诞生。

2010年3月,德国超级计算机成功模拟42位量子计算机。

2011年5月,加拿大D-Wave发布一款全球第一款商用型量子计算机。

2013年6月,中国科首次成功实现用量子计算机求解线性方程组的实验。

2015年12月,谷歌推出的D-Wave量子计算机,号称比其他任何计算机都快出一亿倍。

2016年8月,美国发明世界上第一台由5量子比特组成的可编程量子计算机。

2017年5月,世界上第一台超越早期经典计算机的5量子比特计算机在中国诞生。

2018年2月,加拿大D-Wave宣布将量子计算引入公共云,开发者可以免费通过公共云使用量子计算。

2019年9月,IBM宣称将推出计算性能最强悍的53位量子计算机,将是迄今可供外部使用的最大通用量子计算机。

4、量子虽小,不好控制

IBM科学家David在2000年提出建造量子计算机的5点要求和2个辅助条件,为具有实用价值的量子计算机画出了蓝图。

❶一个能表征量子比特并可扩展的物理系统;

❷能够把量子比特初始化为一个标准态; 

❸保证在系统退相干之前完成整个量子计算;

❹构造一系列普适的量子门完成量子计算;

❺具备对量子计算的末态进行测量的能力。

两个辅助条件是:①在静止量子比特和飞行量子比特之间实现量子信息的转换;②具备在节点间实现量子比特传输的能力。

用更通俗的语言来解释上面5点,我们假设存在一个量子社会,这个社会由量子人构来,要成为一个量子人,首先要有一个承载量子灵魂的肉体,这就是量子比特的运行硬件;然后肉体上的五官能够获取标准的量子信息,而不是灵魂听不懂的其它外星语言;在获取这些信息之后必须马上自撸,而不是打个哈欠去睡觉,因为量子人一觉醒来之后没有记忆;量子人将信息编译成量子语言时也不能胡编乱造,必须有标准编码进行翻译;最后你在屏幕上显示出的量子语言其它量子人能够看得到。

要想研制量子计算机,除了要研制芯片、控制系统、测量装置等硬件外,还需要研制与之相关的软件,包括编程、算法、量子计算机的体系结构等。

对于量子计算机的出现,不能过于乐观,量子算力是比核武器更危险的存在,谁第一个操纵45-50个量子比特,谁可能优先获得最大权力,如何制衡这种权力,值得深思。

往昔谈起围棋,津津乐道于其玄幻莫测,智慧深远,不可猜度。如今谈起围棋只有四个字:人不如狗……AlphaGo每秒上亿次的计算能力,已经将九段棋手都甩到了五子棋的级别,一旦引入量子计算,那就算上帝出手,顶多弈成平局。

人类未来最大的矛盾,是日益增长的数据处理与有限算力之间的矛盾!谷歌大脑1.6万个CPU运行7天才能完成猫脸识别,谷歌大脑实现模拟人脑的突触数量仅为100亿个,而实际的人脑突触数量超过100万亿,这个数字对于经典计算机来说不可企及,对于量子计算来说,这都属于小儿科。一旦能够控制更多量子比特,人与机器的结合,也水到渠成!从智人到神人,中间只差一台量子计算机。

《量子不死,逆天不止》为原标题。


来源:量子学派

作者:鲁不逊

编辑:jiyang

图片来源: 本文图片选自pixabay

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