5分鐘看懂量子計算機,你需要這個漫畫

科學人Sheldon2017-05-14 15:54:38


量子力學說不定會成為

計算機系的必修課哦



阿基米德說過,

“給我一根槓桿,

我能撬動地球。”

 

那麼問題來了:

為了承受地球的重量,

這根槓桿得多粗多長?


同樣的道理,

在計算機科學家眼中,

給他一臺傳統計算機,

就能對一切任務進行運算。

 

只不過有些任務比較複雜,

運算時間有點兒長。




所以,從實踐的角度講,

傳統計算機不是無所不能的。

在執行某些特殊任務時,

(比如令科學家頭疼的NP問題)

它是“臣妾做不到的”。



2010年,MIT的計算機科學家

阿倫森和阿爾希波夫提出,

在一種類似於高爾頓板的

量子光學系統中,

進行“玻色採樣”的任務,

傳統計算機就搞不定。




在這種量子光學系統中,

光子就相當於彈珠,

多光子干涉儀相當於釘板,

單光子探測器負責查看

光子從哪個口子跑出來。



玻色採樣看似是個普通問題,

可一旦牽扯到量子力學,

很多違反直覺的么蛾子,

突然就冒出來了!


🔽玻色採樣中的么蛾子 


么蛾子一:波粒二象性

 

在量子力學中,

光子既是一種粒子

又是一種




一束波遇到障礙之後,

會透射,又會反射,

所以,光子遇到分束器時,

既會透射,又會反射,

會同時從兩側跑出來。


么蛾子二:不可區分性

 

兩個光子的情況就更復雜了。

首先,兩個光子可能完全一樣,

你根本區分不了誰是誰。



么蛾子三:多光子干涉

 

在同時經過分束器的時候,

兩個光子的分身們,

有可能會相互疊加,

也有可能會相互抵消,

最終結果很難一句話說明白。



么蛾子四:採樣時波函數坍縮

 

當光子遇到出口的探測器時,

就會突然收起波動性,

展現出最初的粒子性。

 

一開始有兩個光子進來,

最後只能讓兩個光子出去,

其餘的“分身們”都必須消失,

這就是量子力學中的波函數坍縮。



總之,玻色採樣,

就是N光子跑進去,

又隨機從其中N個出口

跑出來的過程,

全部歸量子力學管。



阿倫森和阿爾希波夫證明,

用傳統計算機解決這個量子問題,

採樣的時間會非常長。

 

如果一共有N個光子參與實驗,

傳統計算機的採樣時間,

就會呈N^2×2^N的規律增加,

比直接做玻色採樣實驗慢得多。





如果量子光學實驗設計得合理,

肯定比傳統計算機的速度快。

 

所以,

這個實驗裝置本身,

可以稱之為一種光量子計算機

而它“計算”的內容,

正是對輸出光子的分佈進行採樣。


如果光子的數量達到50個,

在傳統計算機看來,

計算量就會增加到3百億億次!

即使你用上目前的超級計算機,

都不可能很快完成一次玻色採樣,

只能直接在裝置上做實驗。

這就是一種“量子優越性”。



實驗裝置說起來容易,

但實現起來卻十分困難。

 

比如,怎樣才能乾淨利落地

產生單個光子?

怎樣讓產生的光子不可區分?

怎樣才能降低玻色採樣的損耗?

 

2017年5月,這些難題

被中科大潘建偉、陸朝陽研究組攻克了。



如果利用這個裝置

對三個光子進行玻色採樣,

採集一個樣本只需要0.2毫秒。

 

同樣的任務,

如果由世界上第一臺傳統計算機

ENIAC通過計算完成,

則至少需要44毫秒。

 

可以說,在這個特定的任務上,

量子計算機獲得了勝利。

跟國際上其他同行類似的實驗相比,

這個速度也快了24000倍。


不過,目前這個裝置,

只嘗試了5個光子的實驗。

若想秒殺超級計算機,

開展50個光子的實驗,

科學家還需要努力。

 

況且,玻色採樣裝置,

只能做玻色採樣,

無法執行其他計算任務,

是一種非通用的量子計算機。


不過,造出玻色採樣裝置,

也為製造通用量子計算機

掃清了重要的技術障礙。

因為高品質單光子源,

高效率干涉儀,

都是它通用的最核心部件。

 

除了光學裝置之外,

科學家還藉助很多手段,

嘗試實現量子計算。

例如離子阱、核磁共振、

量子點、核自旋和超導等等。

 

2017年3月,

朱曉波、王浩華

和陸朝陽、潘建偉合作

利用超導的方法,

製作了一個量子處理器,

還讓10個量子比特

形成了量子糾纏。


在這個超導量子處理器中,

電磁波有兩種能量不同狀態。

一種狀態表示比特0,

一種狀態表示比特1。

 

根據量子力學的原理,

超導電路可以處於,

既是0又是1的疊加狀態,

這就是傳說中的量子比特


量子計算機的優勢是,

當它有N個量子比特時,

由於狀態相互疊加,

它最多可以同時處理

2^N個狀態!




不過,量子比特越多,

製造難度就越大。

在此之前,

科學家在超導量子計算中,

只能完全操控9個量子比特。

 

在這個超導量子處理器中,

中國科學家做到了

讓10個量子比特形成了

最大程度的糾纏態。



一個計算機的運算過程,

就是操縱比特的過程。

 

讓10個量子比特產生糾纏,

說明中國科學家

能夠完全操控這10個量子比特。




這兩個量子計算機的成果,

讓中國科學家們

在通向更高級的量子計算的路上,

邁出了重要的不可或缺的一步。

 

在未來,

要想用上實用的量子計算機,

我們還有很多路要走。

期待那一天早日到來!


美指:牛貓

繪製:鑑賞

排版:胡豆

鳴謝:王輝、吳玉林、陸朝陽
朱曉波、潘建偉


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TAGS:玻色採樣潘建偉傳統計算機光子