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量子電腦簡介 www.linkwan.com 林和安 小洛夫 (中無通訊 第63期)

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發表於 18-7-2020 18:06:25 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本帖最後由 VR2ZWP 於 18-7-2020 18:08 編輯

           本文原刊載於 中無通訊 第63期 2013年1月版。

什麼是量子電腦

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量子電腦的原理機
      
       量子電腦是利用原子所具有的量子特性進行信息處理的一種全新概念的電腦,被譽為未來世界的電腦革命。它是一種全新的基於量子理論的電腦,不同於使用二進位或三極管的傳統電腦,量子電腦應用的是量子比特,可以同時處在多個狀態,而非像傳統電腦那樣只能處於0或1的二進位狀態。具體來說,傳統電腦每個單位只可處理0或1,在量子電腦則可同時處理0及1以上,只需3個Byte(位元組) 便可處理1600萬項任務,效率之高絕非傳統電腦可比。理論上,現時最快的超級電腦需要花10億年處理那極端複雜的排程運算,量子電腦只需1分鐘即可完成。

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量子電腦只用3個Byte(位元組) 便可處理1600萬項任務
 樓主| 發表於 18-7-2020 18:13:12 | 顯示全部樓層
本帖最後由 VR2ZWP 於 18-7-2020 18:17 編輯

量子電腦的產生過程

       幾十年來,集成集成電路的尺寸一直按照所謂的“摩爾定律”(Moore Law),以每18個月縮小一倍的速度持續發展,從而使電腦的性能指標(如計算速度、存儲密度等)取得了每18個月翻一番的巨大成就。目前集成電路的特徵尺寸已經降到了幾十個納米的量級,這個趨勢還在繼續著,預計再經過20年左右,將要降到幾個原子的大小,甚至更小。於是出現了一個新的問題,在原子的尺度上傳統的物理定律不再適用,遵循的是全新的量子力學規律,在原子的尺度上我們不再可能製造出傳統的電腦。也就是說,大約20年後傳統電腦將達到它的“物理極限”。科學家們看到傳統的電腦結構必將有終結的一天,而且儘管電腦的運行速度與日俱增,但是有一些難題是電腦根本無法解決的,例如大數的因式分解,理論上只要一個數足夠大,這個難題夠目前最快的電腦忙幾億年的。
      “基於量子力學的計算設備”最早是隨著電腦科學的發展在1969年由史蒂芬•威斯納提出。而關於“基於量子力學的信息處理”的最早文章則是由亞歷山大•豪勒夫(1973)、帕帕拉維斯基(1975)、羅馬•印戈登(1976)和尤裏•馬尼(1980)年發表。(史蒂芬•威斯納的文章發表於1983年。)八十年代一系列的研究使得量子電腦的理論變得豐富起來。1982年,理查德•費曼在一個著名的演講中提出利用量子體系實現通用計算的想法。緊接著1985年大衛•杜斯提出了量子圖靈機模型。人們研究量子電腦最初很重要的一個出發點是探索通用電腦的計算極限。當使用電腦類比量子現象時,因為龐大的希爾伯特空間而資料量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當可觀,甚至是不切實際的天文數字。理查德•費曼當時就想到如果用量子系統所構成的電腦來類比量子現象則運算時間可大幅度減少,從而量子電腦的概念誕生。

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量子電腦可以大幅提升計算速度
 樓主| 發表於 18-7-2020 18:15:35 | 顯示全部樓層
       量子電腦,在1980年代多處於理論推導等等紙上談兵狀態。一直到1994年彼得•秀爾(Peter Shor)提出量子質因數分解演算法後,因其對於現在通行於銀行及網絡等處的RSA加密演算法可以破解而構成威脅之後,量子電腦變成了熱門的話題,除了理論之外,也有不少學者著力於利用各種量子系統來實現量子電腦。
       幾十年前,一些先驅者,如美國IBM公司的Charles H. Bennett等人就開始研究信息處理電路未來的去向問題,他們指出,當電腦元件的尺寸變得非常之小時,我們不得不面對一個嚴峻的事實:必須用量子力學來對它們進行描述。八十年代初期,一些物理學家證明一台電腦原則上可以以純粹的量子力學的方式運行,之後很長一段時間,這一研究領域漸趨冷清,因為科學家們不能找到實際的系統可供進行量子電腦的實驗,而且還尚不清楚量子電腦解決數學問題是否會比常規電腦快。
       進入20世紀90年代,實驗技術和理論模型的進步為量子電腦的實現提供了可能。尤其值得一提的是1994年美國貝爾實驗室的Peter W. Shor證明運用量子電腦竟然能有效地進行大數的因式分解。這意味著以大數因式分解演算法為依據的電子銀行、網絡等領域的RSA公開密鑰密碼體系在量子電腦面前不堪一擊,幾年後Grover提出“量子搜尋演算法”,可以破譯DES密碼體系。於是各國政府紛紛投入大量的資金和科研力量進行量子電腦的研究,如今這一領域已經形成一門新型學科-量子信息學。
 樓主| 發表於 18-7-2020 18:20:15 | 顯示全部樓層
量子電腦的開發理論

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量子計算原理

      量子理論認為,非相互作用下,原子在任一時刻都處於兩種狀態,稱為量子超態。原子會旋轉,即同時沿上、下兩個方向自旋,這正好與電子電腦0與1完全吻合。如果把一群原子聚在一起,它們不會像電子電腦那樣進行線性運算,而是同時進行所有可能的運算,例如量子電腦處理資料時不是分步進行而是同時完成。只要40個原子一起計算,就相當於今天一台超級電腦的性能。量子電腦以處於量子狀態的原子作為中央處理器和記憶體,其運算速度可能比目前的奔騰4晶片快10億倍,可以在一瞬間搜尋整個互聯網信息。
 樓主| 發表於 18-7-2020 18:27:14 | 顯示全部樓層
量子電腦的主要用途

       量子電腦可以進行大數的因式分解,和Grover搜索破譯密碼,但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。
在利用EPR對進行量子通訊的實驗中我們發現,只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞,任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息,正所謂解鈴還需系鈴人,這樣實現的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。
      此外量子電腦還可以用來做量子系統的模擬,人們一旦有了量子模擬計算機,就無需求解薛定愕方程或者採用蒙特卡羅方法在經典電腦上做數值計算,便可精確地研究量子體系的特徵。

量子電腦的廣闊前景

       社會生產力的發展是科學發展的基石和原動力,從物理學的誕生到技術文明高度發達的今天都是如此。
近年來由於社會對高速、保密、大容量的通訊及計算的需求,促進了量子信息、量子計算理論與實驗的迅速發展。
目前,美國的洛斯阿拉莫斯和麻省理工學院、IBM、和斯坦福大學、武漢物理教學所、清華大學四個研究組已實現7個量子比特量子演算法演示。

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D-Wave量子電腦
 樓主| 發表於 18-7-2020 18:32:10 | 顯示全部樓層
      2007年2月,加拿大D-Wave系統公司宣佈研製成功16位量子比特的超導量子電腦(尚未經科學檢驗),如果他們是誠信的,這個工作的意義就非常重大,或許,可實際應用的量子電腦會在幾年內出現,量子電腦的時代真的要開始了!
      2009年11月15日,世界首台量子電腦正式在美國誕生,這一量子電腦由美國國家標準技術研究院研製,可處理兩個量子比特的資料。較之傳統電腦中的“0”和“1”比特,量子比特能存儲更多的信息,因而量子電腦的性能將大大超越傳統電腦。
      2010年3月31日,德國於利希研究中心發表公報:德國超級電腦成功模擬42位量子電腦,該中心的超級電腦JUGENE成功模擬了42位的量子電腦,在此基礎上研究人員首次能夠仔細地研究高位數量子電腦系統的特性。

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IBM開發的量子處理器原型

       IBM的科學家們在量子計算方面已取得重大突破,於2012年1月完成了一系列量子計算的試驗,使用超導技術在絕對零度條件下證實了這一技術,一秒鐘進行億萬次運算。傳統的電腦資料位元非“0”即“1”,一個量子可以擁有“0”,“1”以及同時“0”與“1”三種狀態。據悉,這項技術突破允許科學家在初步計算中減少資料錯誤率,同時在量子位(qubits)中保持量子機械屬性的完整性。這一成果向世人展示量子計算能夠開發可擴展的技術,該技術已經遠超當今超級電腦的能力。
 樓主| 發表於 18-7-2020 18:34:53 | 顯示全部樓層
2011年首台商用量子電腦D-Wave One面世

      2011年5月11日,加拿大D-Wave系統公司宣佈推出首台商用量子電腦D-Wave One面世。這台電腦是加拿大D-Wave系統公司2007年展示全球第一台商用實用型量子電腦“orion”(獵戶座)的改良版本。它採用了128-qubit(量子比特)的處理器,是2007年原型機的4倍。在理論D-Wave One指令週期遠遠超越現有任何現有的超級電腦,不過限制很大。由於量子電腦採用不同的編程方式,所以在編程方面需要從新開始,目前只能處理經過優化的特定任務,在通用任務方面還不如傳統電腦。另外,在散熱方面也是一大問題。D-Wave One採用液氦散熱,需在接近絕對零度的低溫下工作,難作普及。再考慮D-Wave One的定價,竟達1000萬美元,談不上是普及的商品。所以D-Wave One只能是量子電腦的雛型,未來還有很長的道路要走。

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目前量子電腦需採用液氦的低溫環境下工作
 樓主| 發表於 18-7-2020 18:42:17 | 顯示全部樓層
中港在量子電腦的研究

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華人之光:中國科技大學教授杜江峰(左)及香港中文大學物理系助理教授劉仁保為量子電腦研究作出傑出貢獻

       在量子電腦研究上,中國及香港一直緊密跟進,並且取得一定成果。在2009年,香港中文大學物理系助理教授劉仁保與合肥中國科技大學教授杜江峰在國際權威學術期刊《自然》(Nature),發表延長量子穩定狀態的「壽命」的研究成果,為量子電腦普及作出重大貢獻。
       由於量子的狀態的極不穩定,可以同時處於多個狀態下,又稱「迭加態」。又或同時處於朝上和朝下的狀態,以致量子信息無法保存,量子電腦難作實用化。為保護量子狀態,劉教授的研究隊伍利用微波技術,把固體材料「胡蘿蔔酸」裏的電子自旋的量子相位,從不足二千萬分之一秒提高至近三萬分之一秒。時間延長近千倍,使有充足時時間利用量子來計算。更實得的是,劉教教授的方案可於正常室溫下運作,為家居量子電腦奠下基礎。

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劉仁保教授的開拓性研究大大延長電子自旋的穩定狀態,為開發具有超高運算能力的量子電腦揭開新一頁
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