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量子计算机是计算中的核武器吗?

发布时间:2019-06-21 18:23 来源:未知 编辑:admin

  央广网北京2月28日消息 经济之声《天下公司》倾听全球栏目播出特别节目《烧脑季》,每天半小时权威科学家演讲,火星移民、量子计算、人工智能、基因编辑、区块链,燃烧你的大脑。

  大家要理解量子计算机究竟为什么能够对人类的计算能力有巨大的提升,首先我们应该理解就是计算的最根本的原理是什么?或者换句话说计算我们一定要付出什么代价。

  计算是相当于把一个不确定性,最后能得到一个确定的结果,有可能是0或者1,最后我们明确的知道它是0,表面上听起来很简单,实际上这个物理学家花了100多年研究麦克斯韦妖的过程中才把这个问题真正解释清楚。

  最简单地说,一个最简单的箱子我们称之为最简单的计算机,里面只有一个分子,所以叫单分子计算机。我把这个箱子劈成两半,开始的时候不知道这个分子在左边还是右边。因为量子符合量子力学的,这种不确定性人类是不知道它在左边还是右边的,这是量子的本性,大自然是存在这种不确定性的。

  计算的目的就是把这种不确定性能变成确定的,你这个盒子,本来这个分子可能处在左边和右边,中间你一隔。我要求计算以后,我明确地知道,它要么在左边,要么在右边,计算结果会是0和1。怎么做到这一点呢?

  提出一个最简单的模型,就是麦克斯韦妖。它可以像活塞那样压缩,本来你不知道这个分子是不确定的,只要有麦克斯韦妖进行压缩,最后压缩的结果,等位压缩,就确定只把它压到比如说左边了,结果就是零。

  原则就是告诉大家,通过热力学,这个过程一定要耗散KT ln2的热量。所有计算最根本的原则,听起来可能有点太物理、专业,跟我们日常的尝试是相符的。你个自行车胎打气可能有这种体验,打着打着经常那个气筒就发热了。我小的时候,我曾经误解认为这是摩擦力造成的,长大懂了热力学以后,任何等位压缩哪怕没有摩擦力,它都会耗散这个力量。你要不信回家做实验,拿针筒也是一样的,你做一下实验,这种压缩肯定要耗散力量,这是热力学原理很容易计算出来的。

  结论就是说计算哪怕获得一个比特的信息,都会耗散至少KT1n2的热量,这是我们所有计算的原则。我们所有的电脑都得发热,你要用一阵儿,你摸一下肯定是要发热。手机,所有的手机都要发热。如果将来有人告诉你造一个手机是不会发热的,这肯定是忽悠你,因为这违背最根本的物理原理。现在的计算,它的效率严重地受这个物理定律麦克斯韦妖制约的,也就是说它首先要耗散很大的热量,不能无限制的把速度提上去。因为速度提上去以后这个热量耗散地甚至能让你整个计算机熔化。

  实际上人类历史上,认为这个计算机速度再提高会熔化,当然因为工艺多少改进,到目前还没有太逼近这个极限值,但物理上肯定是存在这个极限值的。无疑这给我们科学家,尤其是物理学家,包括搞计算机的提出一种幻想,就是有没有可能存在这种不耗散的一个运算过程呢?让我们的运算效率极大地提高呢?

  表面上看地球上简直不可能,因为地球上任何的运动好像都需要摩擦力的制约,但实际上我们放眼宇宙的话,大部分运动是没有这种耗散的。每天日出而坐,日落而息,我们是以太阳系,地球的自转,包括公转,过春节,夏令时。实际上我们的太阳系就是计算机,我们已经用了它几千年在给我们计算时间了。我们的时间到现在为止基本上都是靠太阳系运作,它有没有慢下来呢?基本上是没有慢下来的,它没有耗散。

  实际宇宙中的真空比我们人类实验室做出的最好的真空还要纯洁得多,太阳系的运转它恰恰是没有耗散的,这就给我们人类一种信心就是说,实际上有很多计算没有耗散的话,那我们是可以期待避免麦克斯韦妖这样的效应的。所以我们自然人类就要探索在地球的这种环境下,有没有可能做一种无耗散的运算呢?理论上可以把这个计算效益可以极大地提高,我们可以受启发,比如说现在的磁悬浮超导高铁,我们国家已经做到了比现在高铁速度又快了一倍,600公里/小时。

  我们知道一个量子的过程实际上是无耗散的,专业的叫妖正过程。利用量子过程进行这样的运算,有没有可能把我们的计算机的效率极大地提高呢?这是人类几十年来一直在探索的问题。

  首先我们可能需要理解一点,为什么一个量子的过程能够避免麦克斯韦妖效应?虽然今天时间短,但是我们最根本地要懂一点,所谓量子过程到底是什么?

  最简单地,我们今天讲一个叫单电子双缝干涉的量子实验,描述量子力学最关键的存在。量子力学描述的存在跟我们日常生活中的那个存在是很大差别的,为什么很多人觉得不理解量子力学。

  这个实验没有什么特别神秘的,这一个电子枪它确保每次只打一个电子,面对的是两个缝。最后等它穿过这两个缝,最后有一个屏幕来接受这个电子,一个电子一个电子打,如果花一天时间我可以积累成千上万个电子。最后显示的图是什么?就是我的一个实验结果,其实翻译现在的语言就是我用大数据来去探究这中间是不是有一些经典不存在的关联。如果这个电子是符合牛顿的经典力学,比如它是一个子弹的话,通过两个缝打过来,你很容易想象,要么它走上面那个缝,要么走下面那个缝。最后屏幕显示,就算你成千上万的子弹最后不外乎的形成都应该两个缝的。但最后实验结果让物理学家非常惊讶的发现,它实际上是多了双缝干涉的那样的明暗相间的条文,绝对没有对应两个缝。

  物理学家就为这个争论了几十年,细节我不多说,但总而言之现在基本上大家公认的结论是肯定这个电子是同时走这两个缝,否则的话无论如何最后大数据不会显示那样的结果。这就给我们人类的世界观真的是极大地颠覆,因为传统地总是认为任何的物质定义地要存在哪里,就肯定存在哪里的,它要走的应该是轨道,这是牛顿力学坚持的。

  量子力学之所以颠覆了牛顿的世界观,是告诉我们这个世界是存在非定义的,不确定性的或者是量子可以同时处在两种状态。更多的状态也OK,它可以同时处在N种状态,这个在经典领域我们无法想象。但恰恰这种量子特性,让我们可以造出量子计算机,当然开始的是叫量子算法。

  量子算法人类开始是怎么想到呢?第一个就是Deutsch算法。Deutsch算法就是,它处理这一类大数据问题,这类大数据问题并不需要你明确的算出哪个函数和经典的计算,那我就是一个代入,一个数据然后算出一个结果,一步一步这么算,这叫计算暴力,它就靠这个计算的速度或次数来解决问题。

  我们大数据很多问题是,F0和F1不需要具体算出它的结果,我们只需要知道什么情况下是否F0等于F1,或者说F0不等于F1。如果这样的问题话就有一个量子算法,Deutsch第一次,可以设定一个算法,设定一个量子态,它利用刚才说的电子可以同时走两个缝,也就是说它可以同时0和1两种状态同时输入,叫这个量子的分非定义态,它同时算0和1。

  经典运算,要么你只能算F0然后再算一次F1。量子是可以同时算F0和F1的。然后最后这种算法设定,它能够识别,甚至是F0等于F1,具体当F0和F1是什么他不用算,这种大数据处理的要求下,它就等于把两步并成一步了。实际上最后我们只要测一次,点是经典的麦克斯韦妖必须要算两次,它必须要算一下F0是什么,第二算一下F1是什么,确定的算出来,他来比较两个是不是一致。所以量子只需要一步完成。

  当然你要这么看,你量子计算机才提高了一倍效率。但是这才刚是一个0和一个1,实际上大数据有万亿的这个数据,到那会儿的话量子算法就会,这个提高效率就不是提高一倍了,指数级的提高。但被认为是指数认为是及其困难的经典,基本上也只能找暴力计算,一个一个去试,一直作为ISA这种签名系统加密了,你无法破解。一旦知道结果很难验证,但反过来很难。就说我给你一个大数据,你告诉我指数是什么,那运算量是天量的,所以这个特适合用来做加密,甚至现在都还在用。但是用计算机的算法细节我不讲,它就能把这个效率,本来指数的效率比如要算2的N次方,大家知道2的N次方随着N的增大,它很快就是天文数字了,它能下降到logN,就是N的对数的那个数量级,效率提高就是非常非常本质的。

  再给大家介绍一个所谓量子检索,量子检索是量子算法里最好理解的,所谓量子算法再次强调,它利用的量子特性就是刚才讲的那种电子可以同时走两个缝,另外它可以走无穷的缝也一样。如果一个量子态它可以叠加无穷多个0和1的结果,那么检索,比如说我在北京市要找坏人,北京市几千万人口,我要挑一个坏人。经典的计算,对不起你只有把这些人一个一个数据往里输,函数,这个函数F就是挑坏人的函数。算出来一个结果,那它等于1的时候,他就是坏人,等于零的时候他不是坏人,那你只有算几千万遍,北京有多少万人口就得算多少人,这是经典计算。

  量子计算是,你可以同时把这几千万弄成一个量子叠加态,同时往里输。但你运算出来的一个结果它还是一个叠加态,因为整个过程是一个量子过程。你还是没有挑出这个坏人是什么,因为你要具体的测这个量子态,要找出一个坏人,理论上还是要有麦克斯韦妖的效应,你得从这个量子态里头去挑这个究竟哪个最后算出来的结果是F1。

  量子检索这个算法设计的特别巧妙,它是这样。我把这几千万人我一分两半,我先把头1500万同时输进去,输进去成为量子态。正好它有一个反转,如果中间有坏人的话,它不能说马上告诉你哪个是坏人,但是在这些人里量子态算的话归反转的,在这个结果里会产生一个负号,那这个就可以设计一个很巧妙的算法。我把头1500万输进去,如果我发现它反转了,出现了一个负号。后面那个我不用试了,我把这1500万嗯我又弄成一半,我试其中的750万,如果没有反转,没有出现负号,这个态没有改变。那OK,这个没有,我继续算这个750万的。这样一半一半的算既算的步骤要比你3000万一个一个去算那个效率能提高多少呢?

  效率提高的不是说几倍的问题,它提高的是多少数量级的问题。这个当量的提高,为什么我们用核弹去形容它?因为张奥跟我讨论题目,我当时就想,我只能用核弹去描述。普通炸弹和核弹,他们两个的差距,你不是能说这么更厉害,你已经不能这么表述了。因为它提高的数量级,核弹造成的能量当量的数量级包括因此造成的效果和破坏,那是传统的炸弹不是多少个,你比它多多少个能够比拟的。量子计算也一样,可以这么说,如果真的量子计算机造成了,现在所有的所谓的加密系统,因为现在所有的加密都是靠我刚才说的运算不转密。天量的运算解不开,它才能保护。但现在有量子计算机,这个东西就相当于透明的一张纸,就很容易给你打穿。

  量子计算对于比特币挖矿的意义,比特币挖矿跟检索刚才那个是很类似的,它就不外乎说全网的矿工要在2的68次方这么多数里头找出一个合适的数,一个哈希值,最后符合低于它的一个观值,具体算法我就不说了,反正大家就拼命去找,完全是暴力运算,每秒要算多少个P,将近3000个P了,就是这样的典型的运算暴力,它是靠每秒钟的运算次数的操刀,全网都在算,这么来破解这个问题,也是维护比特币系统之所以安全也是靠这个维护。你反过来想作弊攻破它,要付出极大地代价。

  但是用量子计算机跟刚才说的一样,那2的68次方理论上可能本来是一个天文数字可能下降到不到100次,它能给你算出来。因为它是可以同时输入的,管你多少个。我一半看找到没有,如果找到了,那一半我不用算了,然后我再把它分两半,总而言之,我靠很有限的步骤,不超过100步,就能把你原来算2的68次方这么多次压缩到这种程度。所以未来量子计算机真要造出来的话,那对比特币整个挖矿的产业会有非常大的影响。

  量子计算机的人手里相当于有“核弹”,以前的那些计算相当于小米加步枪了。整个计算行业,当然包括区块链行业,无疑应该非常地密切关注量子计算机最新的进展,不敢随便想象说我们能迅速到这个前沿,现在来看可能性不大,但是至少我们得跟着人家距离不能拉太远,反正谷歌经常爆料,经常吓唬大家,他有量子计算机,量子芯片,好像已经进展到什么什么程度,号称2017年声称要有很大的进展,什么50个比特的量子芯片会做出来。当然这东西肯定是科学的很大进展,但是我了解的事实还不是那么可怕。它有芯片就算造出来,它只能针对很有限的某几类问题,它不是通用的,通用就太可怕了,意味着灭掉所有的计算机和加密算法,目前还不用通用的。

  为什么量子力学现在成为了好多新技术趋势的内核,比如说区块链,比如说大数据计算,人工智能里面都有量子物理?

  韩锋:“这个问题问得非常好,坦率地说,量子力学最开初的时候人们只是觉得它有用,50年代半导体,晶体管,觉得那是一定要用量子力学的,没有量子力学完全没法计算和处理,人们只是觉得它有用。但是发展到现在,人们开始对量子力学,最根本的刮目相待,发现它提供了一个几乎现在所有新的科学、互联网时代,包括大数据,提供了一个完全全新的,统一的认知基础,这是量子力学真正的意义,就像我刚才说的,它颠覆了牛顿力学的世界观,它是在最本质上让人类地世界观升级了,而且这个升级的意义。

  我现在认为甚至跨出了科学界,而不仅仅说像你说的人工智能、区块链,这个互联网经济的问题,跟人类最早的一些几千年前的剩下的认知,老子、阴阳太极,比如说佛教的色空不二,大家发现所有的这些竟然都能够有一个统一的认知基础,我个人认为人类面临了一个正在攀上一个全新的智慧的顶峰,这个恰恰是量子力学提供了很有力地支撑。”

  韩锋:“从目前来预测它应该比较庞大,因为刚才说的优点恰恰也是它的缺点,就是要保持量子态同时处在非定义态或者叠加态,这是刚才它的优势了。但是这种东西是极其容易被破坏的,在常温下,只要跟空气一接触,量子就会退相干。这就是我们你平时看到的为什么没有量子效应,因为只要跟空气一接触,一有温度它就会马上叫退相干,它就会回到牛顿的你看到的那种状态。所以你要保持这种状态,目前来看一定是极低温,基本上绝对是零度的附近,光这个制冷的就需要非常庞大的支撑,这恰恰也是现在量子计算最难突破的,人类如果突破这一点造量子计算机应该就不困难了。”

  韩锋:“这个确实是一般人特别纠结的问题,你因为之所以不可想象的是,平时看到的所有东西都不会这样,但是它真的就是这样的。

  你不能按平时你看到的这些事物的现象去解释它,因为你看到的东西基本上都符合牛顿力学。为什么你看到的这个东西都符合牛顿力学,而电子不符合牛顿力学?物理的很多步骤,其实麦克斯韦妖起了很大的步骤,麦克斯韦妖就可以用来解释这个,本性它是不确定的,就是这个分子在这个箱子里,如果它是一个经典分子的话,不知道它还是要么在这儿,要么在这儿,对吧?

  但是实际上不是,本质上它就是非定义的。所以你日常生活中你看到确定的东西是靠一个麦克斯韦妖压缩耗热造成的,我们世界的麦克斯韦妖是太阳,就是太阳提供了一定要耗散热量,太阳给我们提供了能力,它的麦克斯韦妖让我们这个世界处于一个确定的世界。其实宇宙最本质的,其实是不确定的。”

  微软现在要花大量资金和资源来研究量子计算机。”想开发出能够实际投入使用的量子计算机,研究人员面临不小的挑战,而微软的入局方式与竞争对手有些不同。

  研究团队已利用金刚石和硅造出全球首个量子计算机桥。通过在金刚石基底中强力嵌入两个硅原子,研究团队制成了一个单一芯片。一旦硅原子就位,激光产生的光子会让这些原子进入更高的原子能态中。

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