量子计算:后摩尔时代计算能力提升的解决方案 | 潘建伟等
■ 编者按
由朱晓波、陆朝阳、潘建伟等人撰写的这篇文章客观介绍了量子计算的原理、发展现状以及发展趋势:“实现‘量子计算优越性’的阶段目标是量子计算研究的第一个里程碑,它验证了量子计算机可以超越经典计算机的可行性,但量子计算机距离能够解决有价值的实际问题,还有较长的路要走。由于技术上的难度,何时实现通用量子计算机尚不明确,国际学术界一般认为还需要10至15年甚至更长时间。”
量子计算是基于量子力学的全新计算模式,具有原理上远超经典计算的强大并行计算能力,为人工智能、密码分析、气象预报、资源勘探、药物设计等所需的大规模计算难题提供了解决方案,并可揭示量子相变、高温超导、量子霍尔效应等复杂物理机制。
与传统计算机使用0或者1的比特来存储信息不同,量子计算以量子比特作为信息编码和存储的基本单元。基于量子力学的叠加原理,一个量子比特可以同时处于0和1两种状态的相干叠加,即可以用于表示0和1两个数。推而广之,n个量子比特便可表示2n个数的叠加,使得一次量子操作原理上可以同时实现对2n个叠加的数进行并行运算,这相当于经典计算机进行2n次操作。因此,量子计算提供了一种从根本上实现并行计算的思路,具备极大超越经典计算机运算能力的潜力。
类似于经典计算机,量子计算机也可以沿用图灵机的框架,通过对量子比特进行可编程的逻辑操作,执行通用的量子运算,从而实现计算能力的大幅提升,甚至是指数级的加速。一个典型的例子是1994年提出的快速质因数分解量子算法(Shor算法)。质因数分解的计算复杂度是广泛使用的RSA公钥密码系统安全性的基础,例如,如果用每秒运算万亿次的经典计算机来分解一个300位的大数,需要10万年以上;而如果利用同样运算速率、执行Shor算法的量子计算机,则只需要1秒。因此,量子计算机一旦研制成功,将对经典信息安全体系带来巨大冲击。
第一个阶段是实现“量子计算优越性”,即量子计算机对特定问题的计算能力超越经典超级计算机,达到这一目标需要约50个量子比特的相干操纵。美国谷歌公司在2019年率先实现超导线路体系的“量子计算优越性”。我国则分别于2020年在光量子体系、2021年在超导线路体系实现了“量子计算优越性”。加拿大Xanadu公司在2022年实现光量子体系的“量子计算优越性”。目前,我国是唯一在两种物理体系都达到这一里程碑的国家,牢固确立了国际量子计算研究第一方阵的地位。
第二个阶段是实现专用量子模拟机,即相干操纵数百个量子比特,应用于组合优化、量子化学、机器学习等特定问题,指导材料设计、药物开发等,达到该阶段需要5至10年,是当前的主要研究任务。由于量子比特容易受到环境噪声的影响而出错,对于规模化的量子比特系统,通过量子纠错来保证整个系统的正确运行是必然要求,也是一段时期内面临的主要挑战。
2021年潘建伟团队成功研制出“九章二号”
62比特超导量子计算原型机“祖冲之号”
■ 扩展阅读
量子科话面向热爱科学、关心科技发展的公众,介绍量子科技领域重要前沿研究进展和国内外相关发展动态,对公众关注的科学问题提供客观的解读,助力加深公众对量子科技的认识,感受量子世界的奥妙。
量子科话由合肥国家实验室和中国科学院量子信息与量子科技创新研究院共同主办。
风云之声
科学 · 爱国 · 价值
最新评论
推荐文章
作者最新文章
你可能感兴趣的文章
Copyright Disclaimer: The copyright of contents (including texts, images, videos and audios) posted above belong to the User who shared or the third-party website which the User shared from. If you found your copyright have been infringed, please send a DMCA takedown notice to [email protected]. For more detail of the source, please click on the button "Read Original Post" below. For other communications, please send to [email protected].
版权声明:以上内容为用户推荐收藏至CareerEngine平台,其内容(含文字、图片、视频、音频等)及知识版权均属用户或用户转发自的第三方网站,如涉嫌侵权,请通知[email protected]进行信息删除。如需查看信息来源,请点击“查看原文”。如需洽谈其它事宜,请联系[email protected]。
版权声明:以上内容为用户推荐收藏至CareerEngine平台,其内容(含文字、图片、视频、音频等)及知识版权均属用户或用户转发自的第三方网站,如涉嫌侵权,请通知[email protected]进行信息删除。如需查看信息来源,请点击“查看原文”。如需洽谈其它事宜,请联系[email protected]。