您现在的位置是:主页 > 职场 >

量子计算的一些基础知识

2020-06-27 04:29职场 人已围观

简介量子理论是物理学的一个分支,涉及原子及其内部较小的亚原子粒子的世界。物理学定律在原子水平上是不同的,我们在日常生活中可以观察到的经典物理学定律不适用于这里。经典计...

量子理论是物理学的一个分支,涉及原子及其内部较小的亚原子粒子的世界。物理学定律在原子水平上是不同的,我们在日常生活中可以观察到的经典物理学定律不适用于这里。

经典计算机(我们在日常生活中使用的计算机,包括笔记本电脑,台式机,服务器等)使我们的生活变得非常简单和快捷。上个世纪,随着计算机的出现,我们已经取得了很多成就,世界已经完全改变。但是经典计算机也有一些限制。

经典计算机使用晶体管形成逻辑开关,这些逻辑开关允许电流流过它们(开关“接通”)或限制电流(开关“断开”)。随着时间的流逝,晶体管的尺寸变得非常小,这使我们能够将数百万个晶体管安装在一个小芯片上,从而产生了具有更高计算能力的小型便携式计算机(例如智能手机),但我们正在接近制造的物理极限。晶体管较小。今天,晶体管已经达到1纳米的尺寸。在原子范围(小于1纳米)上,电子行为异常,并且不遵循通常适用于较大物体的物理原理。在原子尺度上,电子具有 量子隧道效应效果,即它有时表现得像波浪一样,并且也通过闭合的逻辑开关,从而使逻辑开关的存在无效。由于我们无法在如此小的尺寸上拥有完美的晶体管开关,因此我们已经达到了在一个小区域内可以容纳多少个晶体管的最终极限,将晶体管保持在足够大的尺寸以避免量子隧穿效应。反过来,这使我们无法提高计算机的计算能力。

在计算方面,有许多问题呈指数增长,并且由于经典计算机的局限性,解决这些问题将花费数年的时间。我们需要寻找一种更有效的方法来解决这些问题。答案在于量子计算机。

量子计算机是基于量子力学原理构建的机器,采用了一种新的方法来处理信息,从而使其具有超强的功能。量子计算机使用Qubits处理信息。

传统计算机中处理信息的基本单位是可以容纳二进制值(0或1)的位。量子计算机中与该位类似的是Qubit(量子位的缩写)。量子比特具有特殊的属性,可以帮助他们比传统比特更快地解决复杂的问题。这些属性之一是叠加,该叠加表示Qubit可以同时保存“ 0”和“ 1”的组合,而不是像经典位那样保存一个二进制值(0或1)。与传统的,甚至是最快的非量子系统相比,当多个量子位连贯地相互作用时,它们可以在短时间内探索多个选项并处理信息。

叠加本质上是量子系统同时处于多种状态的能力-也就是说,某些事物可以同时处于“此处”和“存在”或“向上”和“向下”。仅在原子级别上观察到此行为。

一个Qubit可以以0和1的叠加形式存在,即它可以存储0、1、0和1或两者之间的无数个值。它们还可以通过与其他Qubit交互来创建0和1的复杂叠加。n个量子位可能出现的叠加总数为2 n。

纠缠是存在于量子粒子之间的一种非常强的相关性—实际上如此之强,以至于两个或多个量子粒子即使彼此相距很远也可以以完美的一致紧密地联系在一起。这意味着不能彼此独立地描述每个粒子的量子态。粒子之间的内在联系是如此紧密,以至于即使将它们放置在宇宙的相对两端,它们也可以说是瞬间,完美一致地“跳舞”。

纠缠的量子位的状态不能彼此独立地描述。这意味着,如果我们测量一个Qubit,我们还将获得一些信息,如果我们测量另一个Qubit,将会发生什么。

Qubit听起来很有趣,但是它们非常不稳定,即使系统中出现一点干扰也会使整个操作中断。因此,Microsoft正在努力创建一个更稳定的Qubit,称为拓扑Qubit。与其他Qubit相比,它可以更稳定的形式存储信息。拓扑Qubit将使Quantum计算机能够以更高的速率扩展,并使我们能够构建足够大且稳定的量子计算机,以解决最棘手的问题。

我们应该牢记的重要一点是,量子计算机并没有取代经典计算机。但是与经典计算机相比,量子计算机可以解决的问题很少。这样的问题之一是大量的因式分解,即:如果m = p * q,使得p和q为质数,则给定m的值,找到p和q的值。

另一类问题是经典计算机无法提供准确的输出,例如在单氟化钙(CaF)和双原子钠(Na 2)等化合物上找到键长。

目前,我们拥有能够处理少于20个量子位的量子计算机。Google,IBM和Microsoft是致力于创建大型量子计算机的少数几个名字。IBM甚至宣布了50量子位量子计算机的原型。另一个挑战是使系统随着Qubit数量的增加而稳定。

量子计算领域广阔,因为它融合了量子物理学,超导体,纳米技术等概念。每个领域本身都是一个复杂的领域,并且仍在充分开发中,因此,建立一个遵循所有这些领域原理的物理系统是一个真正的挑战。

直到我们拥有一台足够大且稳定的量子计算机来解决我们大多数难题时,仍然需要至少十年甚至更长的时间。

量子计算机的潜力是巨大的,我们可以实现传统计算机几乎无法实现的许多目标。我们可以合成新药物,开发新的催化剂,加速人工智能的发展等等。在本文中,我介绍了量子计算机的一些基础知识。请在评论部分发布您的宝贵反馈。

本栏推荐