|  量子计算机的展望

量子计算机的未来在何方

  所谓历史局限性,就是当人们考虑新生事物时总会按照旧有的思路,去寻求现有体系中它的替代与优化作用,而不曾想在未来开辟新的领域。通常具有重大变革时不仅是某项技术的突破,更是许许多多科学技术的发展以及社会环境的变化的结果,所以变革的改变形式可能也会更加多样。

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量子计算(图片来源于网络)

  量子计算机的未来在何方?

  首先,我们要知道为什么要发展量子计算机。量子计算机在很多方面相比于传统计算机有着先天优势。

  1.计算速度快

  由于量子计算机可以存储于操作0与1的相干叠加态。而传统计算机只有0,1两种状态。这意味着同样是N个比特的计算机,量子计算机一次运算最多可以操作2n组数据,而经典计算机只能处理1组数据。以两个比特为例,经典计算机一次操作可以将01变为10。而量子计算机则可以将(|00>+|01>) 变为(|10>+|11>),相当于同时处理两组数据。这就意味着,随着比特数的增加,量子计算机的计算速度将获得指数级的增长!

  2.能耗低

  信息论中有一个理论:信息的抹除需要消耗一定的能量。例如,传统计算机中,逻辑与门实现的功能为,当输入全部为1时,输出为1,否则输出为零。当得到计算结果为0后,之前的输入信息我们通过结果无法推测。这种计算成为不可逆计算。由于得到输出结果后便抹除了输入的信息,因此需要消耗能量。随着传统计算机集成度的增加,散热问题会越来越棘手。而量子计算则为可逆计算,从输出的结果可以反推出输入的数据。因此热损耗将大大降低。

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量子叠加态想象图(图片来源于网络)

  量子计算机相比于传统计算机有着如此巨大的优势,但在其发展过程中也存在着许多困难。

  在硬件方面,最主要的问题在于相干时间。由于量子体系受到环境噪声的干扰较大,导致体系会在一段时间之后失去原有的信息。因此,我们需要让体系保持在我们需要的状态,直到计算结束。就好像我们做一个冰雕,我们要控制温度,保证在我们完成雕刻与牌照前,冰雕不会融化。随着量子比特数的增加,体系会越来越复杂,退相干问题也会愈发严重。

  在软件方面,量子算法的发展还不够成熟,很难最大程度的发挥量子计算机的潜力。目前只能在特定的计算层面远远超过经典计算机。比如Grover搜索算法,Shor质数分解算法,量子退火算法等等。

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图片来源于网络

  虽然在当前阶段,量子计算机的使用价值并不是很高,但近些年来,自从科学家们发现量子计算机的巨大发展前景之后,量子计算机得以发展迅速,并且在某些领域已经可以投入使用。由于量子计算机对环境的要求很苛刻,必须在极低温环境下才能够工作。因此让量子计算机走进千家万户并不现实,但可以通过云平台的搭建,让每一个人可以通过网络使用量子计算机。因为量子算法的限制,让量子计算机完全替代经典计算机还有很远的路要走。但在某些特定的问题,量子算法已经完全可以取代经典算法。

  因此,在未来,会有更多解决特定问题的量子计算机被研制出来。首当其冲的是医药合成行业,在具有数千比特的通用量子计算机形成之前,量子模拟就可以在模拟少粒子体系、分子动力学过程上发挥重要的指导作用,甚至这种方法就将主导这些行业的发展。另一方面,随着技术指标的提高,也可以在凝聚态物理方向上发挥重大作用,提供一条新的研究途径。此外,诸如求解最佳的路线,模拟化学反应,人工智能与机器学习等等。

    人的认知就像孤岛,当我们认知的越多就会发现可以触及的未知与黑暗就越多,而我们所面临的挑战与最迷人的探险将会是新一代科技革命的开始。

 

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