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量子霸权——计算速度的极限

时间:2022-11-17 10:07:39 来源:科普之家 作者:蓝夕科普 栏目:前沿 阅读:126

2019年美国科技公司谷歌公司在NASA上发表了一篇论文,宣称: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。那么量子计算机这种恐怖的计算速度是如何达到的呢?所谓的“量子霸权”又是怎么一回事呢?

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,然后通过逻辑门来实现逻辑运算。常见的逻辑门包括:“与”门、“或”门、“非”门、“异或”等等。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,摩尔定律为大众所熟知,即计算机芯片的晶体管密度每18个月翻一番,算力就增强一倍,这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。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。

说完这些,就来解释下什么是量子霸权呢?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,传统计算机需要遍历所有可能的匹配才能得到结果,而量子计算机却可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,传统的加密系统,在量子计算机面前将变得毫无抵抗能力。

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