量子计算机能带来什么变化

量子计算机(Quantum Computer)是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息、运行的是量子算法时,它就是量子计算机。量子计算机的性能远远胜于传统计算机,优势是指数级的。量子计算机应用的是量子比特,可以同时处在多个状态,而不像传统计算机那样只能处于0或1的二进制状态。建造一台量子计算机,关键问题是防止量子系统退相干。如果一台量子计算机由于它与周围环境不可避免的相互作用而发生退相干,那么它就变成了一台传统计算机。防止一个量子态与环境发生相互作用是困难的,但有两个策略:一个是“无声”策略——将计算机的量子比特与周围环境隔绝开来,从而尽可能地降低噪音;另外一个方法是建造一台“耳聋”的计算机,这里信息由拓扑性准粒子携带,拓扑性准粒子是非局域的,不能被破坏,因此不受环境噪音的影响。这是一个比较新的、使人着迷的量子计算机方案。这里的问题是,要证明存在这样的凝聚态物质系统,且它们具有可以操控的拓扑激发态。

量子计算机,早先由理查德·费曼提出,一开始是从物理现象的模拟而来的。可理查德·费曼发现当模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大,一个完好的模拟所需的运算时间变得相当长,甚至是不切实际的天文数字。他当时就想到,如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。基于量子物理学的计算机,相对于基于经典物理学的计算机来说,将在微处理器方面发生革命性的变化,这是一种通过原子分裂技术来进行计算的模式。

尽管目前的计算技术已经取得了重大进步,但其性能正在接近传统物理学的极限。科学家们预测,量子力学原理将使得超安全的量子通信和超强大的量子计算机出现成为可能,从而突破目前技术的限制,但实现这一目标最重要的一步就是使用量子隐形传态技术。

1997年,奥地利塞林格教授研究小组在国际上首次实现单一自由度量子隐形传态的实验验证。2015年3月,中国科学技术大学潘建伟院士研究小组在国际上首次成功实现多自由度量子体系的隐形传态。

2013年,东京大学应用物理系的古泽彰教授和同事成功地实现了完美的量子隐形传态,但需要一套占地数平方米的设备,这一设备需要数月制造且无法升级。2015年3月,由英国布里斯托大学量子光学中心的负责人杰里米·奥布赖恩领导的最新实验摒弃了这些光学电路,并使用先进的纳米构造技术,将其功能集成在一个面积仅为0.000 1 m2的微型硅芯片上,这是科学家们首次在一个硅芯片上展示量子隐形传态,而且研究表明,新的系统能够升级。研究人员表示,最新研究成果朝着最终将量子计算机集成为一块光学芯片的目标,迈出了关键的一步,为科学家最终制造出超高速的量子计算机和超安全的量子通信铺平了道路。

如果一个量子计算机能够组建成50个量子比特,当今世界前500名的超级计算机全部加起来,功能都无法胜过它。研究人员认为,能计算数百量子位的计算机可能在5~10年内出现,“量子计算机可以用来破解当今最复杂的加密方式,或者搜索数量难以想象的数据”。

量子信息是当前全球高科技竞争中的“兵家必争之地”,将引发诸多高科技领域的颠覆性变革。如量子计算机几分钟内即可解开传统电子计算机花上数十年才能解决的问题。该领域的突破成为满足研制超并行量子计算机、绝对安全的量子密码等诸多国家和军队重大战略需求的关键。

科学技术的发展过程充满了偶然和未知,就算是物理学泰斗爱因斯坦也绝不会想到,为了批判量子力学而用他聪明的大脑假想出来的EPR态,在60多年后不仅被证明是存在的,而且还被用来做量子计算机。