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嘉兴在线新闻网     2017-10-21 16:31:37     手机看新闻    我要投稿     飞信报料有奖
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今天又一颗重磅消息横空砸来:世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生!

文 |库叔

本文由瞭望智库综合。



1

突破



最近,中国科技界真可谓捷报连连,首个货运飞船“天舟一号”成功升空,首艘国产航母顺利下水,自主研制的水陆两栖飞机AG600以及中型客机C919也在摩拳擦掌的等待各自的首秀,中国科技实现了一个个华丽转身,这紧密的节奏也是让国人兴奋的喘不过气来。

然而,今天又一颗重磅消息横空砸来:世界上第一台超越早期经典计算机的光量子计算机诞生!

这个早期经典计算机指的就是“二战”期间诞生于美国的世界上第一台通用计算机“埃尼阿克”(Eniac),仅仅时隔70多年,“埃尼阿克”就遇到了诞生于中国的这个全新“对手”所带来的巨大挑战!

更令人振奋的是,这个“世界首台”是货真价实的“中国造”,属中国科学技术大学潘建伟教授及其同事陆朝阳、朱晓波等,联合浙江大学王浩华教授研究组攻关突破的成果。他们在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面都取得了突破性进展,这次也一共发布了两个量子计算机的原型,一种基于光学,一个基于超导,该系列成果已经发表于国际权威学术期刊《自然光子学》和《物理评论快报》上。潘建伟教授也正是去年对我国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”成功升空做出巨大贡献的“量子卫星之父”。

先说光学体系,研究团队在去年首次实现十光子纠缠操纵的基础上,利用高品质量子点单光子源构建了世界首台超越早期经典计算机的单光子量子计算机。

潘建伟介绍,根据测试,我国研制的量子原型机的“玻色取样”速度比国际第二名进行类似实验的速度整整快了24000倍!



图片来源:潘建伟教授PPT

再说超导体系,研究团队实现了目前世界上最大数目(十个)超导量子比特的纠缠,并在超导量子处理器上实现了快速求解线性方程组的量子算法,打破了之前由谷歌、NASA和UCSB等一系列美国大牛联合研制的九个超导量子比特的操纵。

也就是说,中国的量子计算机无论是在光学体系还是超导体系都实现了巨大突破,光量子计算机属于“世界首台”,超导量子计算机也实现了10个超导量子比特的高精度操纵,打破了此前美国所保持的记录,处于世界领先位置,就是这么厉害!

2

速度



那到底什么是量子计算机呢?

我们现在对电子计算机很熟悉,但很少人知道它和量子计算机的区别在哪里。简单来说,根本区别其实就是计算能力!

量子计算机的计算能力之所以强过传统电子计算机,原因就在于两者存储信息与运算方式上的不同。

在电子计算机里,一个微小晶体管中存储的数据,在一个时间点上是固定的,要么是1,要么是0。而量子计算机则不同,量子具有叠加态,一个量子位可以有两种状态,这样N个量子位时就有2的N次方种状态。

更神奇的地方在于,传统电子计算机的计算方式是串行运算,一个算完算下一个。而量子计算机由于处于叠加状态,天然就能并行运算。如果画个图来表示,那下图右边就是普通计算机,左边就是量子计算机,非常灵活,同时叠加运行。如果电子计算机要分成50次计算完成,量子计算机则可以把这过程分成50个部分,同时计算完成,再叠加给出结果。

想像一下,你被要求5分钟内在指定图书馆某一本书的某页上找到一个字母“X”,这几乎是不可能的,因为那里有5000万册书。但是如果你处于5000万个平行现实中,每个现实都可以查看不同的书籍,你肯定能在其中某个现实中找到这个“X”。在这个假设中,普通计算机就是像疯子一样的那个你,需要5分钟内找遍尽可能多的书。而量子计算机却能将你复制出5000万个,每个只需翻找一本书即可。这效率,简直成倍跃升!

目前,我们所有的计算机体系都是基于冯诺依曼式的组织结构,其运行速度的增长已经明显放缓,对于大规模数据的分析计算效率也很难再提高。量子计算的提出,则是旨在专门为复杂问题的求解设计一种全新的计算机体系,让运行速度“飞”起来了!

所以,曾有人打过一个比方:如果现在传统计算机的速度是自行车,量子计算机的速度就好比飞机。使用亿亿次的“天河二号”超级计算机求解一个亿亿亿变量的方程组,所需时间为100年。而使用一台万亿次的量子计算机求解同一个方程组,仅需0.01秒。

3

改变





这种逆天的超高速计算方式,必然会使很多方面发生重大变化。



首先是对人类科技进步而言,量子计算机“开辟了一个新的战场”。“埃尼阿克”作为世界上第一台经典算法计算机,开辟了一个属于计算机的时代,以前,量子计算速度比经典计算机快还只是停留在理论中,而该台原型机将这一理论变成现实迈出了坚实的第一步,把量子计算机真正推向和经典计算机竞争的擂台。这是历史上第一台超越早期经典计算机量子模拟机,为最终实现超越经典计算能力的量子计算这一国际学术界称之为“量子称霸”的目标奠定了基础,这属于中国人为世界科技进步添砖加瓦的关键一步!

其次是在现实生活方面,量子计算机的应用范围就更广了!只要是涉及到逻辑计算分析,都可以发挥它的优势。量子计算利用量子相干叠加原理,在原理上具有超快的并行计算和模拟能力,计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长,可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。比如预测天气、解决交通拥堵等问题,比如在金融的分析投资、医疗领域的诊断等,都能借此变得更加高效、准确。

举个几个简单例子,如果你要寻找一个数据,普通计算机可能需要测试每一个条目,但量子计算机算法只需要普通计算机算法次数的平方根次就可以了,这对于处理大量数据及信息来说,简直意义非凡。甚至可以在几天里解决传统计算机会花费数百万年时间才能处理的数据,未来的应用前景十分令人神往。

再比如,量子计算机可以应用到信息技术安全中去,有了它,你浏览电子邮件和银行数据都会处于加密安全系统的保护之下,有了这种安全系统,你给每个人一个公共密钥编码信息,那也就只有你能解码。

再比如,现在的天气预报大多是基于探测数据的推测,很难保证准确。但量子计算机可以一次分析所有数据,向我们提供更好的模型,精准地显示恶劣天气会在何时何地出现。我们可以提前预测飓风等极端天气,从而预留足够的时间拯救生命。

在每天的出行中,GPS可以帮你优化出最佳线路,但如果有了量子计算机,我们可以把整个城市甚至整个地球上所有人的出行计划全都输入进去,让它计算出最优解,从而让人们彻底告别交通拥堵。

在研发药物方面,量子计算机能够描绘出数以万亿计的分子组成,并将其中最可能有效的组合快速识别出,显著降低药物的研发成本和周期。

在探索太空方面,量子计算机可以处理望远镜视野中更多的数据,从而发现更多的行星,并迅速识别出最有可能存有生命体的行星。

......

第三,在军事方面,量子计算机更是能让信息化战争换了“容颜”。包括量子计算机在内的量子技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景,量子隐形通信系统将建立在各类作战指挥控制体系之间和各种侦察预警系统、主要作战平台以及空间武器系统之中,从而构建出量子信息化战场的通信网络,以其超大信道容量、超高通信速率等特性,在未来的信息化战争中扮演无可替代的角色。美国国防部就对此就给予了高度重视,国防高级研究计划署专门制定了名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划,其对外公开宣称的目标是,若干年内要在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算及固态量子计算等领域取得重大研究进展。有人甚至认为,量子计算的意义不亚于核武器……一旦有些国家军队拥有了量子计算机,而另一些国家军队却没有,当战争爆发的时候,这就犹如一个瞎子和一个睁眼的人在打架一样,对方可以把你的东西看得清清楚楚,而你却什么都看不到。

第四,掌握了量子计算机,就可能掌握了未来新技术领域的主导权。比如说,现在很火的人工智能。人工智能的爆发,有几个因素离不开,一是庞大数据的积累,一是硬件性能提升,带来的计算能力的提高。像AlphaGo,现在最著名的人工智能产品,它在迎战李世石时,动用了1920个CPU、280个GPU,来保证它的运算。所以,某种意义上来说,AlphaGo的胜利,是建立在硬件的堆砌之上。如果有量子计算,那么AlphaGo就无须用这么暴力的方式了。从这一点上来说,它是能够促进人工智能进化的,使它变得更为超效,带来飞跃式的提升与进步。

这样来看,量子计算机也为中国的科技实力提供赶超欧美的机会。在传统科技领域,很多方面其实已经为欧美国家的企业所控制,甚至垄断。由于它们坐拥巨大的资源与强大的研发能力,也借此拥有丰厚的利润,得以不断投入巨资进行再研发,形成良性循环。这使得中国的企业无论怎样,很难在这些传统科技领域打破其格局。

但在人工智能这一“新兴”领域,虽然中国晚于欧美国家起步,但这几年来,中国在人工智能的发展,无论是从企业数量,或是人才、研究实力上看,均不逊于美国。

中国人工智能的发展,呈现出一种与其他科技领域完全不同的发展方式,这甚至让美国科技界十分警惕,并借此不断提醒美国政府,要其注重科技的投入、相关政策的扶持等,以避免被中国超越。量子计算机,也是如此。

去年中国就成功地发射全球首枚量子卫星,今天又在量子计算机方面有了巨大突破,说明我国在这方面具有良好的基础与能力。因此,只要我们发力,同时从硬件、软件、材料等多方面着手进行研究、布局,这样,中国在量子计算机上的发展,就不怕会落后于欧美国家。

考虑到量子计算对诸如人工智能等领域的作用,未来或许将形成巨大的连锁反应,推动中国科技全面快速发展,全面超越欧美国家。

4

继续





也正是看到了上面一系列的重大意义,各国相关领域的科学家才能在量子计算机探索的道路上锲而不舍,咬紧牙关丝毫不让步,美国甚至组建了包括谷歌公司、美国航天航空局和加州大学圣芭芭拉分校等众多科研巨头在内的“梦之队”来进行量子计算机的研发。世界纪录也不断被刷新着,这次,中国科学家显然在这一领域又把纪录刷新了。



今天取得了重大成果的我国科学家也深知“前路漫漫”,往前的每一步都是极其艰难,让量子计算机计算“飞入寻常百姓家”目前来说难度更大,所以丝毫不敢松懈,反而深感责任之重大。

潘建伟研究团队依然在“继续前行”,计划在今年年底分别实现20个光量子比特和20个超导量子比特的操纵。随着可操纵粒子数的增加,量子计算机的计算能力将会呈指数增长,可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。

朱晓波也说,研究团队正致力于设计、制备和测试20个超导量子比特样品,并计划在2017年底前发布量子云计算平台。

他们的坚持和努力,也让我们对于我国量子计算机,对于我国科技腾飞有了更多的信心和期待!

(参考资料:环球网、中国青年网、观察者网、网易公开课、中国国防报等)


来源:嘉兴在线—嘉兴日报    作者:摄影 记者 冯玉坤    编辑:李源    责任编辑:胡金波
 
 
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