重大黑科技！量子計算機：引爆計算革命！
摘要: 「D-Wave（谷歌量子計算機）的運行速度比傳統計算機快1億倍。」這是谷歌量子人工智慧實驗室不久前給出的測試數據。除了谷歌，微軟、Facebook、IBM等在內的科技巨頭紛紛開啟對量子計算機的探索。
D-Wave量子計算機
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谷歌人工智慧AlphaGo與韓國棋手李世石之間的人機大戰，讓人們見識了人工智慧的強大計算能力。但實際上，AlphaGo不過是谷歌人工智慧的開胃小菜，真正的「大殺器」——量子計算機卻隱藏在背後，少為人知。
「D-Wave（谷歌量子計算機）的運行速度比傳統計算機快1億倍。」這是谷歌量子人工智慧實驗室不久前給出的測試數據。除了谷歌，微軟、Facebook、IBM等在內的科技巨頭紛紛開啟對量子計算機的探索。
在國家「十三五」規劃綱要中，「量子通信與量子計算機」也被列入國家科技創新2030重大科技項目。
「破解全世界最強的加密軟體，超級計算機需要約100萬年，量子計算機只需要一個小時。」有專家稱，量子計算機有望引爆新一輪計算革命。
從空想變為現實
在科幻電影《異次元駭客》描述的未來時代里，科學家們通過強大的計算機構建出一個虛擬城市，虛擬城市中的「科學家」又虛擬出另外一個城市。在若干層次的虛擬城市裡，虛擬人類生活的悠然自得，每個「居民」都有思想、有感覺。他們不會懷疑所處世界的真實性，更渾然不覺自己是個人工智慧。
事實上，要完成如此規模的模擬並不是一件容易的事情。一個人類個體所具有的全部特點、微小變化以及肉體細胞之間的作用聯繫就是一個難以估量的龐大數據，更何況要模擬出若干個世界。傳統計算機根本無法實現這樣的完全模擬，但量子計算機的出現，卻讓這個「不可能的任務」成為可能。
對於普通人來說，量子力學過於深奧。不過，隨著科幻電影的風靡，「平行宇宙」「平行世界」等辭彙開始被頻頻提及，而這些正是出自量子力學的相關概念。
想要了解什麼是量子計算機，我們首先要認識一隻科學界知名度最高的萌寵——「薛定諤的貓」。
「一隻貓放進一個封閉的盒子里，然後把這個盒子連接到一個包含一個放射性原子核和一個裝有毒氣體容器的實驗裝置。這個放射性原子核有50％的可能性發生衰變。如果發生衰變，它會發射出一個粒子觸發實驗裝置開關，容器中的毒氣會釋放，從而毒死這隻貓。」1935年，量子力學創始人之一的薛定諤設想出這樣一個實驗。
根據量子力學理論，在實驗者沒有開箱進行觀測時，原子核處於衰變和未衰變的疊加狀態，換言之，箱子里的貓處於既是活的也是死的狀態。有違經典物理世界常識的「既生又死」的狀態，在量子世界裡卻司空見慣。
「量子力學針對的是在微觀環境下的物理現象，在這一環境中，經典物理學中的規律會失效。因為微觀世界是由另一套自然法則在操控，這也是為什麼『薛定諤的貓』既可能是活的也可能是死的。」河北師範大學物理科學與信息工程學院教授崔樹旺說，一旦打開箱子，微觀世界就會出現「崩塌」，原子核的狀態就會確定下來，此時貓是生是死也隨之揭曉。
量子計算機的計算原理和「薛定諤的貓」是一樣的，利用的都是「量子疊加態」。這意味著計算機能同時嘗試所有可能的解，以遠超傳統計算機的速度進行複雜的計算。
長期以來，由於不能實際觀測，量子力學僅僅停留在理論之上，而缺乏實踐的驗證。2012年，來自法國和美國的兩位諾貝爾獎得主在這方面取得了突破，他們各自通過精妙的實驗，使「測量和操控量子系統成為可能」，讓不打開箱子就能觀察貓的生死變成了可能。當然，更重要的是，它也使量子計算機的實現變得不再遙不可及。
如今，從谷歌開發的D-Wave量子計算機到中國科技大學研製的金剛石量子計算機，從微軟長達十餘年的量子計算機計劃到阿里巴巴新近聯手中科院打造量子計算機計劃，一波波「量子潮」加速向現實襲來。
並行計算讓速度「飛」起來
量子計算的神奇之處在於，它可以做到真正的並行計算與存儲。
在傳統計算機中，每個數位只有兩種狀態，非「0」即「1」，而量子計算機利用「量子疊加態」讓量子數位可以同時處於「0」和「1」這兩種狀態之中。擺脫了這種「非此即彼」的限制後，即便是一台性能一般的量子計算機也能完勝當今世界上最快的超級計算機。
「量子計算機的優勢在於並行計算。」崔樹旺介紹說，按照傳統演算法，當用戶需要提取某一個片語信息或者需要解決一個問題時，計算機要先把所有可能性列舉出來並一一驗證才能得到正確的信息，而量子計算機能夠直接計算並提取出相應信息。
量子計算機的並行計算是如何做到的？「如果讓一個圖書管理員在一個沒有檢索系統但藏書數百萬冊的圖書館中，找出未知書籍中的一個特定圖形。對於圖書管理員而言，這就是一個不可能完成的任務。但量子計算的並行計算，則像是同時僱傭了幾百萬名圖書管理員，一人拿起一本書同時翻查，短時間內，這一龐大的搜查任務就能有明確答案。」專家介紹，簡單來說，傳統計算機只能按照時間順序一個個地解決問題，而量子計算機卻可以同時解決多個問題。
谷歌聲稱，D-Wave量子計算機在解決問題時比其他任何計算機都快出1億倍，其重要佐證就是「量子退火」演算法。這種演算法確定了當面臨一系列潛在解決方案時一個特定函數的全局極小值，即在給定一系列選項時，它能夠確定完成一個任務所需的最優解決方案。
不僅如此，基於量子計算的計算機，由於體系架構發生了變化，採用全新的演算法，這使得計算與存儲不再成為難題。有專家認為，量子計算機的巨大突破將為雲計算和大數據處理乃至整個計算機科學領域帶來一場變革。這也是眾多高科技公司投入巨資研究量子計算機的原因所在。
「落地」仍面臨諸多難題
量子計算機能夠大幅縮短提取用戶所需信息的時間，它被認為可以在幾天里解決以往傳統計算機需花費數百萬年時間才能處理的龐大數據，未來的應用前景令人神往。
比如，現在的天氣預報大多是通過對相對有限的探測數據進行分析得出結論，缺乏準確性。而量子計算機可以一次分析所有相關數據，精準地告知人們惡劣天氣在何時何地出現，這樣當遇到地震、颶風等極端天氣時，可以預留足夠的時間來拯救生命。
常常因為交通擁堵而耽誤出行的車主們看到了希望。通過量子計算機，GPS可以把整個城市甚至整個地球上所有人的出行計劃全部輸入進去，規划出最優的出行方案，讓智慧交通的實現成為可能。
在研發藥物方面，量子計算機能夠描繪出數以萬億計的分子組成，並將其中最可能有效的組合快速識別出，顯著降低藥物的研發成本和周期。
量子計算機還能為人類探索宇宙作出貢獻。它可以處理望遠鏡視野中更多的數據，從而發現更多的行星，並迅速識別出最有可能存有生命體的行星。
前景十分豐滿，現實卻有些骨感，要實現這些應用還有很長的路要走。有學術界人士曾質疑，谷歌的D-Wave量子計算機並不是真正意義上的量子計算機，作為原型機，它無法進行普及，且遠遠達不到量子計算的要求。
「量子計算機的運行條件極為苛刻。」崔樹旺告訴記者，真空環境、低溫控制、磁場保護等前提條件決定了量子計算機在短期內難以普及。
「作為研究微觀尺度的量子力學，要想控制計算機的量子位，其實就是需要操縱單個原子。」專家介紹，原子在常溫下的速度高達到數百米每秒，只有讓原子保持在極低的溫度狀態，才能受控制。所以谷歌的量子計算機D-Wave處理器溫度一直穩定在-273℃，只比絕對零度高0.15℃而已。除此之外，量子計算機還要放到比地球磁場弱50000倍、大氣壓比地球小100億倍的環境中，才可以保持量子態的穩定。
不僅如此，量子計算機在實際落地推廣方面也會面臨障礙。量子計算機的計算方法完全不同於傳統計算機，意味著編程的方式將更加的獨特且複雜。對於程序員來說，就必須要掌握一套比現有演算法更為複雜的編程方式。
「量子的不穩定性決定信息狀態不穩定，這將影響到計算的準確性。」崔樹旺說，量子計算機還有許多需要克服的技術難題，事實上，實現對微觀量子態的操縱本身就非常困難。
正如薛定諤那隻著名的貓的命運對箱子外的人來說仍是個謎題一樣，量子計算機未來會否成功還有待時間來揭曉。但是不管結局如何，人類探索量子計算機的腳步不會停止
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