第二百零一章 量子算法和物理實現
更新時間:2019-11-01 作者:幸運的球球
學霸的科幻世界 第二百零一章 量子算法和物理實現
接下來的幾天，龐學林主要精力都放在了量子計算機的學習上面。 所謂量子計算機，就是一類遵循量子力學規律儲存量子信息、實現量子計算的物理裝置。 一般情況下，量子計算機的輸入可以用一個具有有限能級的量子系統來描述。 如二能級系統，稱之為量子比特。 量子比特Ψ>α0>β1>可以是0>態和1>態的任意組合，其中α和β分別代表相干疊加態中的比例系數。 基于量子相干效應，α2β21的條件系數取值有無窮多組，因此，量子比特所代表的的信息得以大大豐富。 根據量子比特的構成，又可以將量子計算機分為以下幾種類型。 利用光子的偏振構建量子比特，即所謂的光量子計算機。 2017年，世界上首臺光量子計算機誕生于中國科技大學。 利用被捕獲離子或者原子的能級構建量子比特，即所謂離子型量子計算機。 目前離子型量子計算機還沒有被制造出來，瑞典和奧地利的科學家曾經合作制造出了離子型量子計算機的基本元件，但距離制造真正的離子型量子計算機，還有一段時間。 最后一種，就是超導量子計算機，即利用超導線路，其中包括Cooper對以及與環流方向相關的左/右旋環流疊加態，構建量子比特。 目前IBM、谷歌、微軟等公司正在這一領域展開激烈競爭。 量子的疊加性和量子相干性是量子計算機最本質的特征。 量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。 因此，量子計算機本質上是一種并行計算，在并行條件下能夠在多項式時間內解決經典計算機指數時間內才能解決的問題。 例如，量子計算機能夠在幾秒鐘內將一個250位的大數分解為兩個質數的乘積，而當前的計算機完成此項工作需要耗時一百萬年。 正因為如此，世界上才有無數來自數學、物理、化學等領域的頂尖學者，對量子計算機產生了興趣。 同時也引起了政府部門以及商界的興趣。 不過到目前為止，所謂的量子計算機都還只是一個昂貴的玩具。 中間夾雜著大公司如谷歌、IBM、微軟等為了主導行業而進行的非科學性質的競爭。 比如幾個月前，谷歌宣布的所謂量子霸權，更多的是源于商業利益，而并非技術上真的達到了那種程度。 目前，在量子計算機的研究領域，主要有兩大分支。 分別是量子算法和物理實現。 實用型的量子算法又可以分為三個大類，第一類是以Shor算法為代表的基于量子Fourier變換方法尋找周期性的問題，進一步又可以歸結為阿貝爾隱含子群的問題。 第二類算法叫做Gover算法。 Gover算法構建了基于概率幅放大方法的一類問題的基本框架，包括改進型的Gover算法、碰撞問題、量子遺傳算法、量子模擬退火算法、量子神經網絡等。 第三類屬于模擬或者解決量子物理問題的算法，包括費曼提出的用量子計算機加速量子物理仿真的原創性設想，近期也有基于量子隨機游走，尤其是連續時間量子隨機游走的算法，其中就包括由麻省理工大學理論物理中心主任愛德華·法里和古特曼合作提出的NAND樹的布爾邏輯計算算法等。 而量子計算機的物理實現，難度比量子算法還要大很多。 首先，量子計算機的物理系統必須滿足以下幾點要求。 第一，具有可伸縮、特性良好的量子比特位。 第二，能夠初始化量子比特到某個基準態，如000…>。 第三，必須具有足夠長的相干時間，要比完成量子門的操作時間長很多。 第四，具有一套通用的量子門。 第五，能夠實現對特定量子比特位的測量。 為了能夠在物理上實現量子計算，研究人員們基于以上幾個要求，在兩大方向上進行了深入的研究。 第一種，就是基于固態電磁電路的量子計算機。 這種方案又包括自旋系統，超導系統，量子點系統，核磁共振系統等不同方案。 第二種就是基于量子光學系統的量子計算機。 包括離子阱、腔量子電動力學系統、線性光學系統、光子晶體和光子晶體束縛冷原子體系等實現方案。 花了整整半個月的時間，龐學林將一百篇論文以及系統給的量子計算機的技術手冊全部刷了一遍，對量子計算機有了一個基本的了解。 然后他發現，想要將系統給的這臺量子計算機在現實中制造出來，短時間內可能性不大。 因為系統給的這臺量子計算機，屬于拓撲量子計算機，其量子芯片內的量子比特數，高達一千萬個，計算力比全世界所有計算機加起來還要高出好幾個數量級。 而想要制造這種量子芯片，需要基于一種1/4電荷的準粒子，這種粒子的行為與那些帶有奇數分之一電荷的準粒子十分不同，當電子、光子或是帶有奇數分之一電荷的粒子和另外一個粒子交換位置時，不會產生多大的整體效應。 相比而言，1/4電荷準粒子的位置交換可編織出一個能保留粒子歷史信息的“辮子”，表現出了具有“非阿貝爾”特性。 雖然現實世界早在2008年，就已經有以色列的科學家發現了這種準粒子的存在。 但想要準確找到對應的材料，需要投入的人力物力，基本上是一個天文數字。 不過雖然沒辦法將這臺量子計算機的量子芯片，但通過這本技術手冊，龐學林卻找到了一條利用石墨烯材料與常規超導體的近鄰效應，構建馬約拉納費米子的辦法。 而馬約拉納費米子，恰恰是實現真正意義上量子拓撲計算的最關鍵的一步。 “或許，谷歌所說的量子霸權，可以在我的手里實現。” 龐學林喃喃自語道。 學霸的科幻世界 第二百零一章 量子算法和物理實現
接下來的幾天，龐學林主要精力都放在了量子計算機的學習上面。 所謂量子計算機，就是一類遵循量子力學規律儲存量子信息、實現量子計算的物理裝置。 一般情況下，量子計算機的輸入可以用一個具有有限能級的量子系統來描述。 如二能級系統，稱之為量子比特。 量子比特Ψ>α0>β1>可以是0>態和1>態的任意組合，其中α和β分別代表相干疊加態中的比例系數。 基于量子相干效應，α2β21的條件系數取值有無窮多組，因此，量子比特所代表的的信息得以大大豐富。 根據量子比特的構成，又可以將量子計算機分為以下幾種類型。 利用光子的偏振構建量子比特，即所謂的光量子計算機。 2017年，世界上首臺光量子計算機誕生于中國科技大學。 利用被捕獲離子或者原子的能級構建量子比特，即所謂離子型量子計算機。 目前離子型量子計算機還沒有被制造出來，瑞典和奧地利的科學家曾經合作制造出了離子型量子計算機的基本元件，但距離制造真正的離子型量子計算機，還有一段時間。 最后一種，就是超導量子計算機，即利用超導線路，其中包括Cooper對以及與環流方向相關的左/右旋環流疊加態，構建量子比特。 目前IBM、谷歌、微軟等公司正在這一領域展開激烈競爭。 量子的疊加性和量子相干性是量子計算機最本質的特征。 量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。 因此，量子計算機本質上是一種并行計算，在并行條件下能夠在多項式時間內解決經典計算機指數時間內才能解決的問題。 例如，量子計算機能夠在幾秒鐘內將一個250位的大數分解為兩個質數的乘積，而當前的計算機完成此項工作需要耗時一百萬年。 正因為如此，世界上才有無數來自數學、物理、化學等領域的頂尖學者，對量子計算機產生了興趣。 同時也引起了政府部門以及商界的興趣。 不過到目前為止，所謂的量子計算機都還只是一個昂貴的玩具。 中間夾雜著大公司如谷歌、IBM、微軟等為了主導行業而進行的非科學性質的競爭。 比如幾個月前，谷歌宣布的所謂量子霸權，更多的是源于商業利益，而并非技術上真的達到了那種程度。 目前，在量子計算機的研究領域，主要有兩大分支。 分別是量子算法和物理實現。 實用型的量子算法又可以分為三個大類，第一類是以Shor算法為代表的基于量子Fourier變換方法尋找周期性的問題，進一步又可以歸結為阿貝爾隱含子群的問題。 第二類算法叫做Gover算法。 Gover算法構建了基于概率幅放大方法的一類問題的基本框架，包括改進型的Gover算法、碰撞問題、量子遺傳算法、量子模擬退火算法、量子神經網絡等。 第三類屬于模擬或者解決量子物理問題的算法，包括費曼提出的用量子計算機加速量子物理仿真的原創性設想，近期也有基于量子隨機游走，尤其是連續時間量子隨機游走的算法，其中就包括由麻省理工大學理論物理中心主任愛德華·法里和古特曼合作提出的NAND樹的布爾邏輯計算算法等。 而量子計算機的物理實現，難度比量子算法還要大很多。 首先，量子計算機的物理系統必須滿足以下幾點要求。 第一，具有可伸縮、特性良好的量子比特位。 第二，能夠初始化量子比特到某個基準態，如000…>。 第三，必須具有足夠長的相干時間，要比完成量子門的操作時間長很多。 第四，具有一套通用的量子門。 第五，能夠實現對特定量子比特位的測量。 為了能夠在物理上實現量子計算，研究人員們基于以上幾個要求，在兩大方向上進行了深入的研究。 第一種，就是基于固態電磁電路的量子計算機。 這種方案又包括自旋系統，超導系統，量子點系統，核磁共振系統等不同方案。 第二種就是基于量子光學系統的量子計算機。 包括離子阱、腔量子電動力學系統、線性光學系統、光子晶體和光子晶體束縛冷原子體系等實現方案。 花了整整半個月的時間，龐學林將一百篇論文以及系統給的量子計算機的技術手冊全部刷了一遍，對量子計算機有了一個基本的了解。 然后他發現，想要將系統給的這臺量子計算機在現實中制造出來，短時間內可能性不大。 因為系統給的這臺量子計算機，屬于拓撲量子計算機，其量子芯片內的量子比特數，高達一千萬個，計算力比全世界所有計算機加起來還要高出好幾個數量級。 而想要制造這種量子芯片，需要基于一種1/4電荷的準粒子，這種粒子的行為與那些帶有奇數分之一電荷的準粒子十分不同，當電子、光子或是帶有奇數分之一電荷的粒子和另外一個粒子交換位置時，不會產生多大的整體效應。 相比而言，1/4電荷準粒子的位置交換可編織出一個能保留粒子歷史信息的“辮子”，表現出了具有“非阿貝爾”特性。 雖然現實世界早在2008年，就已經有以色列的科學家發現了這種準粒子的存在。 但想要準確找到對應的材料，需要投入的人力物力，基本上是一個天文數字。 不過雖然沒辦法將這臺量子計算機的量子芯片，但通過這本技術手冊，龐學林卻找到了一條利用石墨烯材料與常規超導體的近鄰效應，構建馬約拉納費米子的辦法。 而馬約拉納費米子，恰恰是實現真正意義上量子拓撲計算的最關鍵的一步。 “或許，谷歌所說的量子霸權，可以在我的手里實現。” 龐學林喃喃自語道。 學霸的科幻世界 第二百零一章 量子算法和物理實現
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