计算速度惊人,你知道什么是“量子霸权”么?

科普创客科普中国卢澜2019-10-18 15:11

前段时间,美国科技公司谷歌在NASA上发表了一篇论文称,谷歌的 AI Quantum 研究小组的53量子比特处理器实现了“量子霸权”,即量子计算机可以仅用200秒的时间,完成目前最强的超级计算机需要花费10000年才能完成的计算量。那么,量子计算机的计算速度是如何达到的呢?所谓的“量子霸权”又是什么呢?

首先,简单说一下传统计算机是如何进行计算的。传统计算机通过高电平和低电平来表示0和1,通过逻辑门实现逻辑运算。常见的逻辑门包括:“与”门、“或”门、“非”门、“异或”门等。逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。以此为基础,计算机可以实现各种数学计算。

传统计算机的发展遵循着摩尔定律,即计算机芯片的晶体管密度每18个月翻一番,计算能力增强一倍,是一种指数增长的规律。但是近年来,随着晶体管的尺寸逐渐逼近物理学极限,这一定律已经放缓甚至失效。

传统计算机中,一个比特只能是0或者1,但是在量子世界里,量子比特可同时处于多种态,它可以是几种不同量子态当中的任意几种归一化线性组合,这种状态就是量子叠加态,它可以同时等于0和1,只有在被观察的时候才会坍缩成两种状态中的一种。举个简单的例子,如果量子计算机有3个量子比特,那么就可以说它同时工作在8种状态中;如果量子计算机有4个量子比特,那么就是同时工作在16种状态中。所以,每增加一个量子比特,量子计算机的计算能力都是呈指数增长的。现在的超级计算机计算能力,大致相当于50个量子比特的量子计算机计算能力。

那么,什么是量子霸权呢?量子霸权即量子优势,是指量子计算拥有超越所有经典计算机的计算能力。

量子计算机最强大的就是它的并行计算能力,比如在对海量数据库进行检索时,传统计算机需要经过所有可能的匹配才能得到结果,而量子计算机可以节省几个数量级的工作时间。特别在计算机安全领域,量子计算机有着非凡的意义和重要的应用,目前最普遍的加密系统,是公私钥加密数据,是获得了公钥之后通过数学方法来计算私钥,如果别人不知道私钥,那么破解密码可能就需要数年的时间。但是,量子计算机惊人的计算能力,可以在很短的时间内破解密码。

本文由北京邮电大学计算机科学与技术研究专业副教授张忠宝进行科学性把关。

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