颠覆常理：关于量子计算的9大事实

花泥

颠覆常理：关于量子计算的9大事实
腾讯科技  2013-07-20 05:25:13   1951 人阅读   编辑：小路[爆料]  评论(14)点击可以复制本篇文章的标题和链接

美国科技资讯网站SAI周三刊登长篇文章，以通俗易懂的语言介绍了有关量子计算学科的9个事实。文章提到，量子计算机并不是用来浏览互联网、收发邮件，也不是用来运行常规软件。相反，量子计算机的基础为量子力学。量子力学为物理学的一个分支，该学科创立时间已有100年左右，并对人们的传统看法发起挑战。量子物理学研究对象为很小的事物，如电子和光子等，并试图解决人们此前没能解决的问题。

如果你声称量子计算机简直就是以魔法方式运行，这种说法也没有多少夸张之处。在我们面对这些很小的物体时(试想一下，比单个原子还小)，科幻小说中描写的时间旅行、瞬间移动(teleportation)等奇特现象也只能说是司空见惯。传统意义上的物理学“规则”在这儿不适用。

这无疑就可开启一些令人心动的可能性，尤其在数学分支优化学科领域就更是如此。顾名思义，优化就是要从一大堆潜在答案中找出最佳者。对于这门特定数学学科领域而言，它致力于解决现实世界中一些可实际感受到的问题。UPS快递卡车如何选择其最佳投递路线？机场该如何合理安排航班才能保持各航班不会延误？

在处理一些优化计算任务上，传统计算机可谓设备简陋。美国南加州大学克希德·马丁量子计算中心科学主任丹尼尔·里达尔(Daniel Lidar)表示，人类验证蛋白质折叠状态会花上大量时间，自然界却能够在数秒或数分钟内完成这种任务，而传统计算机要解决这些问题，则要花上数十亿年的时间去思考。

从某种程度上讲，量子计算也具有了像自然界那样同世界互动的能力。这可能是一种今人感到难以理解的深奥想法。即便如此，这也仅仅是量子计算机的冰山一角。

1、量子计算机依靠量子力学来运行，而量子力学非常“疯狂”

与我们肉眼所看到物体的运动规则相比，量子粒子的运动规则却大为不同。举例来说，量子粒子能够同时存在于两个地方，能够快速前进或后退，甚至能够进行所谓的瞬间移动，也就是物理学家们所说的“量子隧道效应”(quantum tunneling)。

这通常是我们在科幻小说中所看到的东西。但在量子世界中，这些现象可谓寻常之极。而科学家们也无法对此给出令人满意的答案。

2、没有人能够真正了解量子计算机的内部会发生什么

一个被外界所熟知的量子力学理念(也适用于科学的普通法则)，就是对某种活动的简单观察，将会改变事情的结果。我们受限于我们所使用工具的准确性，而这一点对于科学家们敏锐的眼光而言尤为适用。一个量子粒子被观察或以其他方式被测量后，则该量子粒子的属性将永远改变。

3、忘掉0和1的数字位——量子计算机使用“量子位”(qubit)，而这种事情足以让人充满“狂野”思想

就你的个人计算机核心而言，无疑是通过数位来处理——分别代表0和1的数字位，仅此而已。而量子计算机则使用量子位来实现其运行。与数字位一样，量子位能够代表0或1，但其真正神奇之处，还在于它们的第三种状态，即“叠加”状态——它们能够同时代表0或1。

这种神奇的能力也就意味着，同一列量子位能够同时代表大量不同事物。举例来说，如果你组建了两个量子位，则他们能够同时保持四个可能的数值：[0，0]、[0，1]、[1，0]或[1，1]。

这是否开始变得有点难以理解了？这也没什么。一些以研究量子力学谋生的聪明人，其实也与我们一样对此感到难以理解。

4、量子计算机能够解决传统计算机根本无法或难以解决的问题

在解决优化问题时，量子计算机就能够大放光彩。由于一些优化问题过于复杂，如果交由传统计算机来处理，可能会上大量时间，如数十亿年之久。

一个经典例子就是“旅行推销员问题”。想像一下，你眼前的地图上有一大堆城市，并显示出各城市之间的距离。你是一名销售员，正试图找出可走遍每个城市的最短路线。要让传统计算机来解决这个问题，唯一的办法就是记录下每一条可能路线的距离，对它们进行比较后找到最短线路。然而这并不是很“潇洒”的解决方式。

我们还记得，量子位可同时代表一个以上的事物。这也就意味着一台量子计算机能够同一时间尝试无数个可能的路线，并能够在数秒钟内向你返回最短路线的答案，而不用花上地质学纪年意义上的时间。

5、一些人认为量子计算机正在平行宇宙中运行计算

没有人能够确认让一个量子位同时代表一个以上事物的机制。它是奇异量子的天性，并颠覆了人们此前对于事情的理解。只是我们不理解，并不意味着事情没有发生。科学家们对于这种可能性有各种各样的见解。我们最能够接受的是多宇宙理论，即理论物理学声称存在着多重(很可能是数量无限)平行宇宙。

在这种模式中，正解决旅行推销员问题的量子计算机，其实很可能在平行宇宙中运行计算，并追踪在其他宇宙中的潜在线路，目的是大幅减少解决此问题所需计算时间。

6、你的个人电脑能够像超级昂贵的量子计算机那样做很多事情

考虑到量子计算机能够找到解决问题的最优化方案，它也依赖你每天所使用电脑中的一些基础数学工具。这通常是指已经过优化的基础算术。增加一堆数字并不比将它们加起来高明多少，将数字相乘并不比将他们简单做乘法高明多少。在此类例子中，你的个人电脑效率将与量子计算机一样具有高效率。

7、随着量子计算机易用性加强以及售价降低，它将给数据加密带来变革

除解决一些优化问题外，量子计算机将使我们当前有关加密和数据安全的理念得以彻底颠覆。今后任何两个人之间的通话联系，所使用加密技术实际上将无法破解。

8、量子计算机必须在保持极端低温下才能正常运行

开氏(Kelvin)温标，或者所说的“绝对零度”，也是可测量的最冷温度。根据动力学理论，当温度在绝对零度时，单个原子的动能为零，原子停止运动后，它们也就停止产生热能。美国D-Wave公司所生产量子计算机，其内部温度保持在0.02°K，相当于华氏温标-460°F。

9、量子计算机运算速度之快远超乎你的想像

美国阿姆赫斯特大学教授凯瑟琳·麦克杰奥奇(Catherine McGeoch)对量子计算机和传统计算机运行速度进行了对比。让这两种设备分别处理同一任务后，麦克杰奥奇得出结论称，量子计算机的运行速度为传统计算机的“数千倍”。

颠覆常理：关于量子计算的9大事实
量子计算机D-Wave

fwjmath

其实有些不太对的地方，但是要讲清楚的话很麻烦……

比如说第四第五点，虽然量子态可以取所有态的叠加，但这不代表量子计算机做的是一次遍历所有状态，更不要说什么平行宇宙了。实际上，量子计算机只能用所谓的“酉变换”对这种叠加态进行操作，因为原来是混合的状态，得到的结果也是所有东西的混合。对于特定的问题，可以找到办法从混合状态中提取结果；但对于一般的问题，这是不可能的。

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我看到过这一篇，量子计算机还不够成熟

阿莫斯特学院的一位计算机科学家进行了一次量子计算机与普通电脑的速度对决，这在世界上还是首次。量子电脑赢了，开心吧？但它只赢了一点点，而且普通电脑要比它便宜6000倍。

参与测试的量子计算机名为D波2号(D-Wave Two)，它内含439量子比特。D波公司在2011年推出了第一款民用量子计算机——D波1号，它含有128量子比特，价值一千万美金。D波公司遭到了很多量子科学家和计算机科学家如潮水般的抨击，科学家们认为D波计算机的量子比特并不是真正的量子。在过去的一年里，专家们对D波1号的内部运行机制进行了研究，批评声这才慢慢消退。

阿莫斯特学院的Catherine McGeoch的新研究一定程度上证明了D波2号确实运用了量子技术。但与此同时，她的研究表明D波2号并没法像大家预期那样，以一台多功能量子计算机的姿态颠覆科学界。D波公司的量子计算机采用了量子退火反演技术(一种量子隔热算法)来解决优化问题——说实话，它也只能解决优化问题。而要想成为一台真正的量子计算机，它必须使用量子纠缠技术才行。

你可能也知道，量子纠缠技术对条件要求之苛刻简直令人发指。目前我们的技术水平只够让一两个量子比特相互纠缠几微秒。而量子退火技术只要用质量更差、噪声更多的量子比特就能实现了。D波公司正是利用了这一点，才成功在一间普通办公室(非实验室环境）搭建了一个由439量子比特组成的系统。不过，D波公司的量子比特芯片需要在接近绝对零度(-273.13摄氏度)的环境下运行。而且这些量子比特(由铌环组成)们由于受到外界电磁辐射干扰，它们的状态很不稳定，每次运算必须得重复验算1000次来保证结果的准确。即便如此，这样得到的演算结果仍然不一定是最优的(虽然一般都是)。

在量子vs普通计算机竞速大赛上，科学家把三个NP(非确定性多项式)难题分发给了多个系统：纯硬件，硬软件混合体，以及纯软件。纯硬件是D波2号计算机，它具有一个Vesuvius 5芯片(439量子比特)；硬软件混合体是Blackbox系统，它采用Vesuvius 5芯片和软件的混合体进行运算。软件则是在一台因特尔Xeon E5-2690 CPU电脑(操作系统是Ubuntu Linux 12.04)上运行的三个计算软件 ——CPLEX, METSlib Tabu和Akmaxsat。

NP优化难题的经典例子就是旅行推销员问题：假设一个推销员需要从香港出发，经过广州，北京，上海，…，等 n 个城市， 最后返回香港。 任意两个城市之间都有飞机直达，但票价不等。假设公司只给报销 C 元钱，问是否存在一个行程安排，使得他能遍历所有城市，而且总的路费小于 C？电脑必须在这些城市路线之间找到花费最小的路线。这种计算对电脑来说通常很困难，但从理论上说，量子计算机应该能更快地解决此类问题。

结果表明，当我们让纯硬件解决NP难题时，D波系统大概比普通电脑快了4000倍。在硬软件结合的情况下，Blackbox系统会把问题化整为零，让Vesuvius芯片能够理解。它的计算速度与普通的计算软件相比，只能持平或略好。科学家也对D波公司最新的芯片Vesuvius 6进行了简单测试，发现它会比软件快大概10000倍。

这样的结果带来了更多的新疑问。我们仍然不确定D波芯片的工作原理，不知道我们是否已经让它物尽其用。我们也不知道，和模拟量子退货计算的软件比起来，D波芯片是不是真有优势——或许软件和硬件的速度其实差不多。最后，我们必须牢记，这些软件运行的电脑价值1500美元，而D波2号大概值一千万美元，比普通电脑贵了6666倍。有一千万美元的话，你不如去组装一台超级电脑，它不仅能比D波2号算得更快，而且还能运行普通软件呢。

via：http://jandan.net/2013/05/15/quantum-intel-pc.html