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量子計算的原理是什么?量子計算神奇之處在哪里?

2019-10-29 11:27:00  來源:中關村在線

谷歌:我們用了200秒完成了超級計算機一萬年的計算試驗!

IBM:別扯了!你測試的算法超級計算機只需要2.5天!

谷歌:……(- -!)

200秒完成1萬年運算?量子計算神奇之處在哪里?

想必這幾天我們都看到了這樣的新聞,谷歌與IBM在在幾年前就已經投入資金研發量子計算,但至今依然沒有大的進展,量子計算為何如此難以突破,其難點又在哪里?這篇文章將簡單帶你探秘量子計算的神秘之處。

什么是量子計算?量子計算的原理是什么?

普通計算機的調取指令使用的是二進制ASCII碼,其原始口令為二進制0和1來表達,我們所有的指令集都會換算成這兩個數字進行操控,其最小單位為bit表示。指令集表示出來即為011011101001010011這種,是一種線性的信號流。

而量子比特的計算方式與傳統計算機的計算方式并不相同,量子計算的存儲單位為晶體管,并非超大規模集成電路,所以在單位計算上最小單位是量子比特為單位,這些單位被嵌入以芯片中用于處理信息,在芯片上的晶體管數量越多,也就表明這臺量子計算機的處理能力越強。

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一個量子比特可以同時表示0和1這兩個數字,而兩個量子比特則可以表示0、1、2、3四個數字,四個量子比特可以以此類推0、1、2……14、15這十六個數字,這個公式是按照2的N次方進行累計。所以每增加一個比特量子,量子計算機的性能就會以驚人的指數級的方式進行增長。目前已知的最大量子結構計算機是谷歌的53個超導量子比特,也就是綜合計算了2的53次方的數據。

如何理解量子計算的處理速度?

這里我想暫時引用一個簡單的加密數據模型,在傳統的加密解密當中,存在著兩種不同的加密模型,即對稱密碼模式與非對稱密碼模式,對稱密碼模式非常好解釋,比如在第二次世界大戰時使用的摩爾斯電碼,再比如特定代碼,只有加密者A與解密者B同時依照密碼表來進行加密與解密,兩個人同為加密者,也可以同為解密者。不過這種對稱加密方式不適合量子計算,我們要挑戰更高難度的非對稱加密方式。

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非對稱加密方式是加密者A設定密碼之后,將加密文件授權給解密者B,只有解密者B拿到加密者A的key才能順利打開文件,而在傳輸過程當中,被偷竊者C捕獲,偷竊者C想要打開文件包,就必須通過暴力破解的方式對密碼的逐一字段進行嘗試。這也是我們經常遇到的非對稱密碼。

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試想一下,如果你在不經意間獲取到了一個RAR壓縮包,而這個壓縮包里面有重多不可告人的秘密時。你只有兩種方式能夠打開壓縮包,即,通過抓住加密者A進行嚴刑拷打,讓他說出加密包key,而另一種則是通過字典的方式進行秘密的暴利破解。而這種方式也是最復雜最要命的一種方式。

200秒完成1萬年運算?量子計算神奇之處在哪里?

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傳統計算機密碼擁有以下幾個模式,英文大寫、英文小寫、數字、特殊字符,而變量集在于密碼的長度N。傳統互聯網密碼的通用長度在6-12位之間,但不乏更長的密碼存在。也就是說如果想要破解這個密碼,就需要通過字典嘗試999999的四次方,如果需要破解12位密碼的話則需要999999999999的四次方,如此巨大的運算,需要進行一個一個數字填充才行,破解難度巨大,且通常需要計算機24小時不關機的狀態下幾天幾個月幾年甚至十幾年才能破解出來,破解難度之大難以想象。

200秒完成1萬年運算?量子計算神奇之處在哪里?

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而量子計算的運作原理不同,它不會進行線性的密碼探測,而會像一個分身法師一樣,進行分裂化的破解,即一個密碼區域字符有可能是0-9、A-Z、a-z以及特殊字符中的任意一個。在不觀測的狀態下,他們都是有可能的出現的正確密碼。而開始觀測之后,量子計算的運算方式會同時在極短的時間內釋放0-9、A-Z、a-z在內的所有字符,并同時模擬在六位數字密碼上進行同時匹配。匹配正確后,僅正確的密碼會出現,試錯運算會自動消失。在同一設定條件下,有且只有一組密碼與之匹配。如果大家讀過量子物理,了解過量子糾纏中“薛定諤的貓”理論,此解釋會相對容易理解。

那么谷歌真的實現了量子霸權了嗎?

其實從消息的角度,筆者覺得霸權兩個字是媒體過渡炒作的產物,量子計算雖然是具有革命性且能夠突破現有計算模式的,但遠遠還沒有符合霸權這個定義。首先它應該是具有壟斷性的且不可挑戰的。但事實上,研發量子計算的企業可遠遠不止谷歌一家。

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互聯網科技與全球頭部企業都有對于量子計算的相關研究,像空客、阿里巴巴、美國AT&T、百度、谷歌、IBM、英特爾、微軟等公司都成立了量子計算研究所,而中國的神威太湖之光與天河二號想必大家也是耳熟能詳的。目前全球排名第一的是美國橡樹嶺旗下的名為Summit超級量子計算機。性能突破200PFlops,神威太湖之光的兩倍性能,也是已知地表最強的計算設備。

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但恰恰出現問題的是谷歌對媒體宣稱的實現量子霸權,僅為理論構思,并沒有真正得到驗證,文章來源于谷歌研究人員向NASA提供的學術論文當中出現的,但隨后,這篇論文被刪,谷歌與NASA也拒絕承認論文的真實性。所以從這里可以斷定,谷歌量子霸權事件其實只是一個烏龍!

量子計算真的離我們很遠嗎?

量子計算主要適配于通用模型的設計,具備大型、容錯和通用的三個特性,普通人很難接觸到量子計算機,但我們所有人能享有量子計算帶來的特定領域的研發收益。這一點金融資本比我們普通人的嗅覺更為敏感。

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量子計算應用于智能醫療、金融投資,環境工程,網絡安全,云計算人工智能等領域,用來為特定領域提供有效的解決方案,而各國也為此投入了巨資入局,歐盟2018年投入了10億歐元實施“量子旗艦”計劃,牛津大學投資2.5億成立量子研究中心。荷蘭1.4億美元投資研究量子計算,日本3.6億美元,加拿大2.1億美元。而中國的阿里巴巴、百度、騰訊、以及國際超級計算機中心等部門與機構紛紛入局,未來的量子計算將會在未來十年呈現出一個全新的格局。

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筆者堅信一點,未來量子計算不會取代超大規模集成電路模式的傳統計算。而是會形成共生的形態,量子計算研究通用問題,大數據以及環境工程模型迭代問題,在垂直領域發力,而傳統計算機則依然會在民用領域占據主導地位。就如同現在的手機迭代速度如此之快,依然沒有替代電腦成為生產力的主要工具一樣。量子技術還有很長的路要走,也許也會成為下一輪工業革命的拐點。

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