量子计算

　　随着摩尔定律越来越岌岌可危，CPU制程缩短造成隧道效应越来越严重，人们将目光望向了一直处于科幻小说中的量子计算机，最近量子计算机的商用化又有了新的突破。不久前，谷歌和洛克希德马丁公司分别购买了一台D-WAVE量子计算机，用于构建机器学习和管理维护系统。虽然D-WAVE作为首台量子计算机还存在一定的争议，但无疑开启了未来计算的新天空。

　　异想天开的量子计算？

　　英国物理学家戴维·多伊奇(DavidDeutsch)在1985年首次提出量子计算的概念。量子计算机就是依照量子力学原则而运行的机器，量子物理学研究对象为很小的事物，如电子和光子等。

　　传统计算机用比特（用“1”或者“0”表示）作为信息存储单位，进而实现各种运算，而运算过程是通过对存储器所存数据的操作来实施的。不过计算机无论其存储器有多少位只能存储一个数据，因此，对其实施一次操作只能变换一个数据，为运算某个函数，必须连续实施许多次操作，这就是串行计算模式。而量子计算机的信息单元是量子比特，即两个状态是“0”和“1”的相应量子态叠加。量子态叠加原理指出，量子存储器有“0”或“1”两种可能的状态，该存储器一般会处在“0”和“1”两个态的叠加态，因此一位量子存储器可同时存储“0”和“1”两个数据，而传统计算机处理器只能存储其中一个数据。如果有两位存储器的话，量子存储器可同时存储“00”、“01”、“10”、“11”4个数据，而传统存储器依然只能存储其中一个数据。不难想象，n位量子存储器可同时存储2n个数据，而传统计算机存储器依然只能存储其中一个数据。由此可知，量子存储器存储数据的能力是传统存储器的2n倍。随着存储器的位数n指数增长，当n=250时，该台小型量子计算机可以存储的数据比现在所知的宇宙中原子的数目还要多，这就是效率大幅提高的并行运算模式。可以说，电子线性计算方式如同万只蜗牛排队过独木桥，而量子并行运算好比万只飞鸟同时升上天空。

　　在量子计算领域，D-Wave系统公司并不能算是先行者，它从1999年才开始从事量子计算技术的研究，不过它的研究进度却是最有成效的。2007年，这家由Amazon和CIA共同赞助的公司宣布成功开发出世界上第一台量子计算机的工作模型机—Orion（猎户座），并完成了样机的测试工作。不过此时D-Wave系统公司只是开发出了工作模型机，当时科学家预言到真正生产商业化应用的机器还有至少20~50年的时间。显然这种“砖家”预计有较大偏差，因为在2011年D-Wave就发布了全球第一款商用型量子计算机D-WaveOne，它采用了128量子位的处理器，运算速度是前代的四倍，理论运算速度已经远超当时的所有超级计算机，但D-WaveOne有比较严苛的运行环境要求，只能处理特定的经过优化的任务，在编程方面也不太适用，甚至在运行过程中必须由液氦全程保护。今年年初，D-WaveTwo量子计算机面世，其处理器达到了512量子位，售价1500万美元，谷歌要购买的就是这款量子计算机。

　　卓越运算量子计算机的魅力

　　量子计算机有多少处理能力？电子计算机出现的时候，人类之前赖以使用的运算工具算盘就显得奇慢无比。与此类似，在量子计算机面前，电子计算机就是一把不折不扣的算盘。当然，以上只是一个形象的类比，如何具体量化描述量子计算机运算能力呢？1994年，人们采用1600台工作站实施经典的运算花了8个月将数长为129位的大数成功地分解成两个素数相乘。若采用一台量子计算机则1秒钟就可以破解。随着数长度的增大，电子计算机所需花的时间将指数上升，例如数长为1000位，分解它所需时间比宇宙年龄还长，而量子计算机所花时间是以多项式增长，仍然可以很快破解。

　　由于其强大的计算能力，可以解决电子计算机难以或不能解决的某些问题，为人类提供一种性能强大的新型模式的运算工具，大大增强人类分析解决问题的能力，将全方位大幅推进各领域研究。例如，未来的量子计算机几乎在瞬间就能从最大的数据库中找出重要信息。随着全球存储的电子数据呈指数级增长，该技术将让人们更轻易地精确搜寻自己想要的信息。D-Wave表示，Quibits对偶的状态令量子计算相当迅速。通过检验所有的组合，最终的计算过程会比传统处理器快得多。这些对于谷歌这类有繁重处理器任务的企业而言将会非常适用。显然谷歌期望驾驭量子计算进行高端的设备经验积累，并精确地模拟现实世界。这些可用于更为直观的搜索服务，将多项服务进行数据的整合，比如谷歌的GoogleNow服务。“我们期望这能帮助研究人员构建更高效的模型，从语音识别，到网页搜索等。”一名发言人如此说。而对于NASA而言，艾姆斯团队会使用D-Wave设备来研究机器人技术、空间探索计划、空中交通控制等。另外也会用于可能适合人类居住星球的大量数据运算。但是在量子计算变得实际可行之前，必须克服其他巨大的技术障碍。

　　艰难起步量子计算任重道远

　　虽然量子计算拥有如此强的性能，但要组建一台量子计算系统你就必须先解决一些令人伤脑筋的事情。量子系统是微小的，大难题是获得原子级的精细水平的控制。当你查看，比如说从一个量子系统中阅读信息，量子位的信息整体性就会消失。换句话说，它会转变成一个普通比特而仅保持一个单一值。如此一来，该系统就不再是量子计算机。因此，如何制造一个拥有庞大数量量子信息位的系统、对数千个原子进行控制对开发人员来说是一个巨大的挑战。D-Wave显然已经找到了一个解决方案---使用一种称之为“量子退火”的技术。这种能够找到8个超导流量子位的基态（基态是指一个体系能量最低的状态），使之不被热运动或者噪声扰乱。

　　D-Wave称，它们的机器包含了512个超导电路，每个都是很小的环型电流。这些电路被冷却在几乎完美的零度，因此无论这些电流正向或反向流动，这些电路都能同时进入量子状态。当你交给机器一个处理任务时，机器就会使用一系列算法，并通过这些量子位来进行计算，然后再得出相应结果。从本质上讲，该系统的工作原理就是，当系统中的温度增加后，系统将作出决定使一些电路在特殊模式下显现出来。不过，业界对对于D-Wave的方法是不是真正的量子计算还有一些争议。业界认识D-Wave展示的仅是量子计算的一个子类，离不真正的量子计算还有一定的距离。而且这个大家伙现在还只能处理经过优化的特定任务，通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手，而且编程方面也需要重新学习。即便如此，它的理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。

　　量子计算机将以低功耗和跨越式的运算速度改变未来世界，基于“多量子散布”的量子计算机将可用来模拟诸如超导、光合作用等由量子力学规律主导的复杂现象，而高效太阳能电池、超高速搜索引擎、高科技材料和新药开发等领域更是不在话下。不过，从目前的情况看来，量子计算机不太可能进入普通的数字计算市场，因为量子计算机有自己的限制屏障，它的建造运行难度、成本都非常高，其未来主要应用方向还是在专业的超算领域中。

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