国内 国际 图片 视频 军事 历史 科技 娱乐 经济 评论

强大算力 广阔前景

国际新闻 来源: 吉安生活网2022-12-06 07:38:33 A- A+ 二维码
扫一扫 手机阅读

南通私人品茶(上课群)桑拿会馆(娱乐┿(徴)〖1⒉617⒈00⒊6〗新茶.嫩茶.品茶.喝茶.上课.保健.喝茶.会所.spa.养生.保健.酒店.宾馆.请.联.系.画好同心圆建功新时代—议政江苏



  核心阅读

  量子世界的特性,如叠加性、量子纠缠等,是量子计算机优越性能的物理根源。量子计算不仅具有加速运算的功能,而且可以将某些在电子计算机上难解的问题变换为可解的问题。

  当前量子计算机正处在“专用机”阶段。尽管如此,将量子专用机与电子超级计算机相结合,采用量子经典混合算法,依然可以大大提升运算速度,起到量子赋能的效果。这也正是相当长一段时间内,量子计算机走向实用的主流做法。

  量子计算正逐步应用到网络信息安全、大数据和人工智能、化学生物制药、金融工程、智能制造等领域,将在国防建设和国民经济发展中发挥巨大作用。

  近年来,随着量子信息学的发展,“量子”成为人们津津乐道的话题,甚至被披上神秘的面纱。只有客观认识量子世界,才能科学地将对量子世界的认知应用到人类生活中。

  客观地说,量子信息技术时代尚未到来。决定其到来时间的关键要素之一,是量子计算。只有当通用量子计算机得到广泛应用时,我们才能说人类社会已经进入量子信息技术时代。

  量子计算的算力指数级超越电子计算

  目前,我们将物理世界分为两类:凡是遵从经典物理学的物理客体所构成的物理世界,称为经典世界;遵从量子力学的物理客体所构成的物理世界,称为量子世界。这两个物理世界有着截然不同的特性,前者每个时刻的状态和物理量都是确定的,后者则都是不确定的。今天人们常用的电子计算机遵从经典物理定律运行,而量子计算机则是源于量子力学的量子器件,其工作原理遵从量子力学。

  具体来说,在经典物理中,物理量在某一个时刻具有确定值,因此信息单元要么是0要么是1,称为比特。这是电子计算机信息处理的单元。电子芯片中的晶体管,通电流状态代表1,不通代表0。而量子物理具有一个特征,就是不确定性,即某一个时刻物理客体的物理量不具有确定值。因此,和经典物理的信息单元不同,量子信息单元不是0或1,而是表征0的状态和表征1的状态的叠加,称为量子比特。每一个量子比特表征两个经典数据。

  量子比特的物理载体也不是晶体管,而是同时具有两种状态的物理客体,如电子的自旋、光子的偏振、两能级的原子等。量子比特就是两种状态的叠加态。量子比特的状态不同,就表示它所表征的信息不相同。设想电子芯片有n个比特,由于每个比特具有确定值,因此它存储一个经典数据;而含有N个量子比特的量子芯片,由于每个量子比特表征两个经典数据,因此n个量子比特的量子芯片就存储了2n个经典数据。可见,正是量子的不确定性使得其存储数据的能力是电子芯片的2n倍。

  计算机操作实际上是对芯片所存储数据的改变,电子计算机和量子计算机的操作大大不同。前者每操作一次,只能改变一个数据,运算过程是一个一个数据的改变,称为串行运算。后者每操作一次,可能将量子芯片中存储的2n个经典数据同时变换成2n个新数据。这就是量子计算机具有并行运算能力的物理基础。

  量子计算机处理某个函数的速度取决于量子算法。应用量子纠缠可以开发出有效的量子算法,将量子计算机并行运算能力体现在实际的信息处理过程中,使量子计算机的算法以指数级增长超越电子计算机。量子世界的特性,如叠加性、量子纠缠等,是量子计算机优越性能的物理根源。量子计算不仅具有加速运算的功能,而且可以将某些在电子计算机上难解的问题(如大数因子分解)变换为可解的问题。可以说,量子计算机的算力之于电子计算机,好比电子计算机的算力之于旧时的算盘。

  量子计算技术正逐步走向行业应用

  我们知道从算盘时代发展到当今的电子计算机时代,人类社会发生了翻天覆地的变化,一旦从电子计算机过渡到量子计算机时代,人类社会又将再次经历巨大变化。当前,量子计算正逐步应用到网络信息安全、大数据和人工智能、化学生物制药、金融工程、智能制造等领域,将在国防建设和国民经济发展中发挥巨大作用。

  认识到量子计算对人类社会的巨大影响,当前许多国家都在开展量子计算研究。2016年,全球首个量子计算在线平台公布。这一平台搭载5个量子比特的量子处理器,可供全世界用户使用,有大约30万人通过“云方式”体验量子计算。2019年,全球首套商用量子计算机(20个量子比特)推出,目前已有30多台商用产品供使用。同年,使用53个量子比特的量子处理器出现:在伪随机量子采样任务中,量子计算机用了大约200秒的时间完成运行,而当时最强的超级计算机需1万年才能完成相应任务。我国清华大学与浙江大学成功合作研制出121个量子比特的超导量子计算机。2022年则出现了当下最强的量子计算机,拥有433个量子比特。

  如今,量子计算机研制和应用已经成为各国战略竞争焦点之一,量子计算技术正走出实验室,走向行业应用。据统计,全球有100多家量子计算公司,量子计算发展呈现一派蓬勃景象。在我国,近年来一些量子计算机构相继成立,取得的发明专利数不断攀升,24量子比特、64量子比特等商用量子计算机陆续问世,国产量子操作系统以及量子操控装置研制成功,推动着量子计算机在我国的工程化应用。

  量子计算机是宏观的量子器件,环境不可避免地会破坏量子特性,导致量子计算机丧失并行运算能力,这种“消相干”是量子计算机研制和应用的主要障碍。科学家提出“容错纠错编码原理”,理论上解决了这个难题,但由于人类尚未掌握精确的量子操控能力,因此实际技术难以做到。目前所使用的量子计算机,实际上是含有噪声的中等规模专用机。人类最终目标是成功研制通用量子计算机,为此量子比特应达到百万级,而且需要采用“容错纠错”技术。这大约还要10年以上的时间才能实现。

  当前量子计算机正处在“专用机”阶段。尽管如此,将量子专用机与电子超级计算机相结合,采用量子经典混合算法,依然可以大大提升运算速度,起到量子赋能的效果。这也正是相当长一段时间内,量子计算机走向实用的主流做法。期待我国在不断使用中提升量子专用机的性能,形成“研制使用”的良好发展生态。这需要我们准确分析量子计算软硬件技术的研发和应用前景,科学合理制定整体发展战略,明确近期、中长期目标,分阶段投入并考核,以推动量子计算机更好更快发展,助力我国社会主义现代化建设。

  (作者为中国科学院院士、中国科学技术大学教授)

  推荐读物:

  《量子计算与编程入门》:郭国平、陈昭昀、郭光灿著;科学出版社出版。

  《颠覆迎接第二次量子革命》:郭光灿著;科学出版社出版。

  《量子计算:一种应用方法》:杰克希德里著;人民邮电出版社出版。

  郭光灿(来源:人民日报)

【编辑:叶攀】


  • 央视新闻
  • 央视财经
  • 央视军事
  • 社会与法
  • 央视农业
扫一扫
扫一扫,用手机继续阅读!
央视网新闻移动端
央视新闻客户端 iphoness
央视新闻移动看!
CBox移动客户端
下载到桌面,观看更方便!