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为什么说量子计算的黄金时代即将来临?

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大多数技术人员对于量子计算都拥有一些基本的了解,量子比特以qubit的形式表示,其承载的信息不仅仅是0或者1,而是可以二者并存并代表更多信息。这种被称为纠缠的量子效应使得我们有望实现瞬时通信。

来源:至顶网软件频道2019-02-26 13:54:37

关键字: 量子计算

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至顶网软件频道消息:大多数技术人员对于量子计算都拥有一些基本的了解,量子比特以qubit的形式表示,其承载的信息不仅仅是0或者1,而是可以二者并存并代表更多信息。这种被称为纠缠的量子效应使得我们有望实现瞬时通信。

为什么说量子计算的黄金时代即将来临?

最终,量子计算亦可能成为一种将运算速度显著提升的颠覆性技术,从而在数天甚至数小时当中处理以往那些几乎没办法解决的难题。作为对比,同样的问题放在我们当前的超级计算机上可能需要数百年才会给出答案,这些就是所谓经典计算机,需要通过强行搜索一切可能的解决方案找出结果。

如果出现具备实用意义的量子计算方案,那么密码学领域将发生巨大变化,加密代码也许会被迅速破解,甚至导致区块链技术的根基全面崩溃。而随着计算能力的这一巨大飞跃,化学、医学以及药理学等领域将面向更高层次快速发展,并有望给气候变化、食品生产以及药物发现等实际应用提供真正的解决思路。

爱因斯坦最广为人知的名言之一,就是“上帝不掷骰子”。这句话概括了他对于尼尔斯-玻尔及其哥本哈根量子力学诠释的反对态度。同样著名的是薛定谔提出的思想实验,即薛定谔的猫——其中提到在特定环境下,猫可能同时处于活着与死亡这两种状态的悖论。这一论断看似有违逻辑,因此是对哥本哈根诠释结论的另一种驳斥。

那么,两颗粒子之间是如何相互依赖的?如果玻尔的理论正确无误,那么爱因斯坦讽刺性地提出的“远距离闹鬼”现象也将为真。

1964年,约翰-斯图尔特-贝尔(John Stewart Bell)教授提出了一项精辟的结论,用以证明爱因斯坦与玻尔之间的思想对抗。贝尔提出一项能够在基本量子水平之上证明的定理,即现实确实具有不可知特性。在量子计算术语当中,我们将这种状态的线性组合称为“叠加”。

贝尔的定理证明了量子纠缠,即处于量子态中的两个或者多个粒子即使是相隔极大的距离,仍然能够相互依赖。上世纪七十年代,伯克利大学的研究人员最终通过实验证明了贝尔定理与尼尔斯-玻尔“秘密信号”理论的正确性。而这,也正式开启了新的计算思考方式的大门,即量子计算方式。

微软公司创始人比尔-盖茨以及现任CEO萨蒂亚-纳德拉在2017年年底接受《华尔街日报》采访时就量子计算进行了讨论。比尔-盖茨深思道,“我对物理和数学学科都比较熟悉。但与量子科学比起来,它们就像是象形文字一般原始。”接下来,《华尔街日报》又转向萨蒂亚-纳德拉,询问他能否对量子计算做出解释。他回答道,“我很希望可以,遗憾的是我解释不了。”

因此,如果阿尔伯特-爱因斯坦与比尔-盖茨都将此视为一个难以阐述的话题,那么大家的企业为什么要尝试采用这项技术?答案是……量子计算的发展,目前正处于历史性的转折点上。

D-Wave是一家总部位于加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华的公司,其主要生产各类大型量子计算机。D-Wave公司源于不列颠哥伦比亚大学的商业与物理系,他们的量子计算机系统目前已经被出售给洛克希德-马丁公司、谷歌公司、美国宇航局、南加州大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室以及橡树岭国家实验室等等。

目前,D-Wave公司在售的第四代量子计算机使用量子退火技术,更具体地讲是利用机器上总计12万8千个超导约瑟夫结。这些约瑟夫结运行在超cool(既酷又冷)的环境当中,其常规温度接近绝对零度且系统拥有高达2048量子比特。

2018年年末,D-Wave公司启动了LEAP计划,即实时量子应用环境(简称QAE)项目。LEAP是一套基于云端的量子应用环境,旨在为客户提供对于量子计算机的实时访问能力。

2019年1月,IBM公司CEO罗睿兰在CES 2019大会上发表主题演讲时指出,IBM公司正在面向商业用途开发集成量子计算系统。他们的量子计算机部署在纽约州北部,并属于IBM Q System One中的组成部分。利用Q网络(Q Network)与Q量子计算中心(Q Quantum Computational Center),开发人员能够轻松通过自己的Qiskit提交量子程序。

如果您的公司无法从D-Wave或者IBM处购买自己的量子计算机,大家也可以选择更为简单且经济实惠的方法——通过基于云的服务访问并运行各类应用。目前,各大量子计算参与厂商也都在规划类似的量子云产品。

2018年11月,亚马逊公司宣布将聘请伦敦大学学院信息物理学教授Simone Severini担任AWS量子计算总监。Severini与AWS的Bill Vass共同提出,“我们设想将量子计算作为AWS云的一大组成部分以实现广泛应用,从而确保我们的所有客户都能够从中受益。”

虽然盖茨和纳德拉对于《华尔街日报》记者对于量子计算的定义感到困惑,但他们很清楚这对于微软及其客户来说仍然非常重要。纳德拉进一步补充称,“投资量子计算对我们来说是一项很自然的选择,因为我们本身就是云计算的最大消费方之一,我们认为量子计算代表着下一代云计算的面貌。”

微软公司还进一步推出了对应的编程语言,即Q#(音为Q sharp),能够与Visual Studio相配合并在普通笔记本电脑上运行。其能够为量子算法的仿真提供一款良好工具,并成为经典与量子计算软件之间的开发桥梁。

很明显,现在我们已经能够在实验室或者其它高成本基础设施之外使用新型量子硬件及云平台。但是,谁来负责对这些机器进行编程?这就带来了新的问题,即劳动力群体的进一步发展。软件工程师、算法设计师、数据科学家、数学家以及物理学家的市场需求目前仍然极为火热,因此与量子计算相关的大学课程乃至企业内培训也需要进一步普及与升级。

也有人认为,“大学生无法理解量子计算。这方面知识最早也应该从研究生阶段讲起,甚至应该留给博士后研究人员。”对此,我个人并不同意。

目前已经出现了数十本介绍这方面主题的教科书。Michael Nielsen与Isaac Chuang早在2000年起就开始设计量子计算与量子信息课程,目前这本教材已经更新大量内容并进行第三轮印刷,且已被纳入部分研究生及本科生的学业当中。

另外,麻省理工学院、加州理工学院、伯克利大学以及UT奥斯汀大学都开设了专门研究量子计算的研究生与本科课程。当然,通过搜索我们发现其教授的内容相对较浅,而且还没有成为计算机科学课程中的主要方向。更具体地讲,这些课程一般作为学生们的专题选修内容。但是,这种情况正在发生改变。

麻省理工学院x-Pro项目就正式发布了由其量子学教授Isaac Chuang、Aram Harrow、William Oliver以及Peter Shor共同编纂的出色量子计算在线入门课程。

微软研究院量子-雷蒙德(简称QuArC)小组负责人Krysta Svore也开始在附近的华盛顿大学教授一门名为“量子计算入门”的本科课程。她在本周邀请记者进行了试听,课程中甚至吸引到不少刚上大学的新生。

今年2月21日,D-Wave公司在Twitter上展示了一张11岁男孩的照片——这位男孩参加了该公司的量子编程课程,并使用Python语言编写了一个量子程序以解决MAX 2-SAT这个典型的优化问题。

很明显,本科生完全可以参与到这门课程当中。另外,我们也建议大家首先学习线性代数知识,从而为量子计算学习做好准备。最近的劳动力发展计划表明,政府已经意识到这一需求的存在。美国国家科学基金会(简称NSF)已经敲定专项拨款,用以支持各大学聘请专门研究量子科学的新教师。

即使是在近期美国政府关停以及党内分歧高企的状态之下,人们仍然就量子计算达成了共识。总统于去年12月21日签署了《国家量子倡议法案》(简称NQIA),此项法案在参议院当中首先获得了全票通过,随后亦在众议院中以348比11的高票数得到支持。

NQIA将在未来五年之内授权划拨12亿美元用于联邦活动组织,从而增加对量子信息科学的投入,特别是支持量子智能劳动力群体的培养。此项法案还建立起国家量子协调办公室并成立相关咨询委员会,负责为白宫的量子计算问题提供建议。

总体而言,目前量子计算机已经出现,客户能够通过云服务以可负担的成本进行访问,大学与行业的培养教育正在普及,而政府资金也将大量投入以支持深层研究并专注于相关劳动力的培训。

因此,当大家试图向自己的顶头上司解释我们为什么有必要关注量子计算时,不妨引用量子物理学领域的超级巨星之一马克思-普朗克的名言——“当你改变自己观察对象的方式时,你所观察的对象也将发生改变。”

所以,量子计算的重大临界点,就在当下、就在我们眼前。

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