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​2017年，量子计算机正在向我们走来。
热度 22 lxu2800 2017-1-20 07:47
2017年，量子计算机正在向我们走来。 量子计算机被戏称为“二十年后的技术”已经有许多年了，年复一年，这顶帽子始终也摘不下来。2017的新年钟声刚过，量子计算机的命运似乎出现了转机。 信息产业的巨头谷歌和微软最近礼聘了不少量子计算机行业中的先驱者，并为今年的工作设定了挑战性的目标。他们的雄心壮志也表现在工作重心从纯科学研究开始向工程开发转移，而且这种转型也广泛地发生于众多的创业公司和学术研究中心。 马里兰大学帕克分校的物理学家克里斯托弗·门罗（Christopher Monroe）说：“人们真的开始动手做东西，”他说，“我从来没有见过这样的事情。它不再只是实验室的学术研究项目了。” 谷歌从2014年起一直致力于利用超导量子电路实现量子计算方法。它希望在今年或不久之后，它们的量子计算能力可以超越最强大的“经典”超级计算机，企图一举夺得超算领域的皇冠。去年6月谷歌和它的合作者加州大学圣塔巴巴拉分校物理系在【自然】杂志发表的那篇论文为即将发起攻坚战吹响了冲锋号 。他们的竞争对手——微软也当仁不让，把赌注押在一个有趣但未经证实的概念——拓扑量子计算，希望在今年对该技术实施第一次示范。 从事量子计算的一些创业公司也不甘落后。门罗计划（Monroe plans）今年开始满世界诚聘英才。超导量子电路的开拓者之一，耶鲁大学物理学家Robert Schoelkopf，和IBM出来的应用物理学家Chad Rigetti（他曾在加州伯克利创建 Rigetti Computing 公司）合作，他们期望尽速突破关键技术为量子计算机研发矗立重要的里程碑。 大学的实验室正在力争上游。 “事实证明我们拥有必需的所有组件和应有的功能，”Schoelkopf说，他继续在耶鲁大学领导一个参与这场竞赛的团队。为了让相关组件可以协同工作，仍有大量的物理实验需要完成，但主要的挑战现在是工程问题。迄今为止具有最多量子比特位（20个qubits）的量子计算机正在由位于奥地利因斯布鲁克大学的Rainer Blatt领导的一个实验室中进行测试。 这里所说的量子比特qubits与现在普通计算机中的比特的概念是相似的，它们都是承载信息的基本单元。事实上，具有10位以下量子比特的小型量子计算机早己成功运行，但是它们没有多少应用价值。许多实际问题的求解需要成百上千位的量子比特，这是量子计算机研发进程中最大的障碍。 因为量子比特的载体表现出“叠加”、“纠缠”等量子行为是有条件的，它们必须处于量子世界的环境中。通俗地说，这些量子比特的载体（例如光子、电子等）只有处于孤独安静的状态才会表现出来超凡脱俗的量子行为。当成百上千的量子比特的载体集中在一起，它们立刻退化为宏观世界中的一个普通俗客，量子比特变成了只有“0”或“1”两个状态的普通计算机中的比特。 在增加量子比特位的同时，又能维持这些量子比特的载体的量子行为是量子计算机研制的关键，量子计算机最近的重大进展就与此有关。目前解决方案是量子计算机的模块化。科学家先制成小于10位量子比特的量子计算机模块，然后用特殊的方法把这些模块联系起来。这种联接的方式只是让模块与模块中相邻的两个量子比特发生联系，然后通过它们让模块与模块传递信息。这就保证了每个模块的独立性，每个模块是一只小型的量子计算机。但这些模块又是有机结合在一起的，构成了一个有许多位量子比特的可以有实用价值的大型量子计算机。 构建量子计算机模块的方案现在主要有三种。 最简单的方法是用单原子状态作为量子比特，图1左边显示的就是由5个原子组成的量子计算机模块，模块之间用光子作联接。 第二种方法是用超导线路中的电磁振荡作为量子比特，图1中间显示的就是由4位量子比特的超导线路量子计算机模块，模块之间也是用光子作媒介。谷歌的量子计算机用的就是超导线路方案。 第三种方法是用固体中电子自旋作为量子比特。这种量子计算机模块的一个优点是可以在室温下工作。 P1) 构建量子计算机模块的三种方案。 最近量子计算机赛场中杀出的一匹黑马——芯片巨头英特尔公司用的就是第三种方案。2015年英特尔公司与荷兰的一家研究机构合作，动用5千万美元资金，上个月传出了鼓舞人心的好消息。他们在超纯硅片上构建了多位的量子比特模块。 如上所述，量子计算机需要具有数千或上百万的量子比特位方能有广泛的实用价值。负责英特尔量子计算机硬件项目的总监吉姆·克拉克（Jim Clarke）认为，采用硅晶格的量子比特位有可能更快地实现这一目标。他说：“在晶片上能够集成数十亿晶体管的专业技术和精密设备应该有助于完善和扩展硅量子比特位。” 不少人看好英特尔的研发项目，它在量子计算机的硬件开发上优势十分明显，英特尔公司的介入将会大大加速量子计算机的研发进度。英特尔公司是经典电子计算机的中央处理器芯片的主要供应商，它又为什么要去研制完全不同的计算机，这不会砸了他自己的饭碗？英特尔在量子计算机研发上的努力说明了一个问题，量子计算机不是用来取代经典电子计算机的。在可以预见的将来，量子计算机不可能替代人们桌上的电脑和口袋里的手机，它更不是用来玩网络游戏和发微信的。 量子计算机实际上是用来处理一些经典电子计算机根本无法解决的问题。人们都以为今天的超级电脑每秒种可以做千亿次以上的数值运算，所以这世上再复杂的问题应该都可以用电子计算机解决，大不了多化一些时间或者制造更快一点的电子计算机而已。实际上这是一个天大的误会。 例如质因数分解：一台每秒能做一万亿次运算的电子计算机分解一个300位的正整数需要15万年，而分解一个5000位的数字需要50亿年！在未来相当长的一段时期中，即使电子计算机的速度有二至三位数的增长，它们对于解决质因数分解等问题仍然不会有什么实质性的帮助。 由此可知，对某些类型问题，没有计算机算法的突破，仅靠计算速度的加快是完全没有出路的。半个多世纪以来，电子计算机从电子管、晶体管、集成电路一路走来，运行速度和存储容量等指标有了飞速的进步，但是它对信息处理的基本原理没有改变，因而计算的算法也难有根本上的突破 。換言之，这几十年计算技术上的进步主要靠的是运行速度的提高和运行成本的降低，对于一些老大难问题仍然是束手无策。 而量子计算机的切入点就是提供一套与电子计算机完全不同的对信息的表达和处理的基本方法，从而为引入全新的算法提供了可能。量子计算机是通过执行特殊的算法去解决计算领域中一些特定的老大难问题的，可以认为它就是一类专用型计算机。一定要明白：量子计算机不是用量子代替电子，从而提高运行速度；它也不是为了计算机进一步的小型化和微型化；在相当长时期中，它也不可能成为通用型计算机。量子通信实质上是用来作对称密钥分配的，同样，量子计算机主要是执行特殊算法的专用信息处理设备。 量子计算机成败的关键在于：1）制备一定数量的具有量子物理特性的信息承载单元——量子比特，并让它们有机地结合起来成为可存储和可操作的量子处理器。2）利用量子处理器的特殊性，设计聪明巧妙的算法，解决一些特殊的计算难题。为此需要量子工程物理学家、算法专家和硬件工程师等多方面学者专家通力协作。 除了不同专业层面的合作外，更需要有不同社会机构之间的交流与合作。美国在这点上做得比较好，在量子计算机的研制攻关中，他们已经形成了由大学与国家实验室、大型垄断性企业和创业型小公司组成的三驾马车。这三驾马车中的每匹马都在发挥其各自的特长但又协作配合，而且在不同的路段和不同的时期，由不同的马扛起中辕的重任。 我觉得当前一些大型垄断性企业已经走到了前台，这也是量子计算机正在逐步成为现实的一个重要标志。像谷歌、微软和英特尔通过对市场的垄断获取高额利润，他们对一些前瞻性高科技项目的投入真的不差钱，而且企业内部高科技人才和精密仪器设备都是现成的，不用也是白不用。这几年他们全力以赴一定是嗅出了猎物的气味，想来收获的日子不会太远了。资本对于这些事物的敏感度和判断力常常使人佩服。 反观追赶型工业大国，在高科技竞争的节骨眼上有时候就差那临门一脚，问题就出在没有垄断性企业的加入。中国不缺大型企业，但是这些企业并不掌握必杀技，他们多数只是赚些血汗钱，缺乏垄断性高利润收入。中国的大型企业在开创性高科技研发上缺少大规模的投入，非不愿也、乃不能也。一分钱都能逼死英雄汉，更何况动辙上亿美元的风险投入，钱从哪里来是个大问题。 美国这些跨国企业通过垄断性高额利润来贴补高科技研发开支，又依靠研发成果进一步稳固和强化其垄断性地位，企业己经进入良性循环。后起的追赶型企业没有国家的组织和扶助实在很少有翻身机会的。中国在量子通信方面做得很好，在量子计算机研发领域也需要国家有前瞻性的产业政策出台，切莫坐失这个千年难逢的机会。 量子计算机正在悄悄向我们走来，2017将是关键性的一年。现在的问题已经不是怀疑量子计算机能不能做成，而应该是关注如何构建大型量子计算机和如何使用它们。我们目前也许还不清楚量子计算机将如何改变这个世界，但是模块化量子计算机网络的出现很快会让世人惊叹。帷幕正在渐渐拉开，好戏就在前头，看厌了美剧、韩剧和日剧的朋友们，你们也许可以换换频道关注新的热点了。 P2)兰色表示年度研发经费（单位为百万欧元），灰色为发表的研究成果。 P3)兰色为论文数量，灰色为专利数量。 Barends, R. et al. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature17658 (2016). 最近一二十年中，电子计算机结构原理上的变化主要是平行化和分布化，这也带来了算法上的一些变化和改进。但是必须看到平行化算法本身是有额外开销的，平行化带来的增益是有限度的。而且平行算法对不少问题是几乎无效的。同时有必要提一下，量子计算机也可能为平行算法提供全新的构架。 本文首发于观察者网 2017年1月9日。
个人分类: 科普集锦|11690 次阅读|54 个评论
补充——谷歌量子模拟机对于人工智能的贡献
jiazhang55 2016-10-23 17:42
我们都知道，人工智能计算中，最耗费资源的就是，对于很多种元素，要找出其中最关键的要素，处理后给出结果。 而量子模拟机，恰好对这种问题有很大的优越性，我们可以利用一个或者几个量子来模拟这类问题中的一种要素，然后再用另几个量子模拟其他要素。而我们知道所有的模拟是同事经行的，所以我们可以在一个全周期中，实现找出这个元素，但经典计算机在一个全周期中，只可以计算其中一个元素。 当然，有人说我们可以扩大经典计算机的电路数量啊，其实超级计算机就是这个原理，但是经典计算的功耗是成指数级增长的，所以当问题的数量达到60个甚至更高是，功耗会变得非常大。 我们反观量子模拟机。其实，模拟的过程基本不消耗能量，这是由量子控制所决定的，量子本身的纠缠是不需要能量的，我们求输出，只是需要在什么时候观察他，这也基本不消耗能量。而其中最消耗能量的是，保持量子太上，绝对0度的0.015倍需要消耗很多能量，但这比天河2所消耗的能量，其实还是小多了。 ·所以，谷歌说他所做的量子模拟机，是一种“量子霸权”，其实也不为过。 那么，明年谷歌是否可以做出50位以上的量子模拟机，我们就拭目以待了
个人分类: 交流感受|479 次阅读|0 个评论
话说我的理论——拓扑量子相变的缺陷
jiazhang55 2016-10-23 16:46
当然，拓扑量子相变是一个很好的工具，对于拓扑相变描述的量子动力学，可以解释很多经典量子动力学解释不了的问题。 但，这里依然存在一个问题，即使我们通过拓扑相变找到了本证值，但对于复杂的系统（尤其是噪声影响较大的系统），拓扑相变无法更好的纠错，这也是限制量子计算机发展的关键因素之一。 于是，（1，c）登场了，对于这两个数而言，都是确定的数值，而利用其解出的本征值同样可以非常精确，这样，就给我们避免噪声的影响带来方法。 但，只有 （1，c），依然不够，还需要实验物理学家的技术突破，那就是尽量多的完成容纳量子纠缠并可以更好的解决测量问题。 量子计算机的测量器数量是2 n 个，我们怎么做出如此多的测量器件，同样是个问题。 小日本，到时利用电磁性质做出了100个器件，但这远远不够。我们需要的是至少有2 60 个器件。 谷歌，是比较聪明的，他是用量子模拟，这样就将器件缩短到了n个。但这只是量子模拟机，里量子计算机还差一步。当然，我们可以利用软件来补充硬件的不足，将一些数字问题，转换为模拟量来计算，但这会使得软件的变得非常大，也会拖延处理速度。 就像经典计算机，从真空管到电子管，再到晶体管。量子计算机也需要一个发展的过程。不过，我认为，这个时间不会超过15年，因为量子模拟机的出现，会很大程度上缩短量子计算机测量材料的研发时间。 也许，不到15年，我们就可以见到一个100位以上的量子计算机了。
个人分类: 交流感受|548 次阅读|0 个评论
50—100位光量子计算机编码设计百万亿亿亿亿次位运算
jiazhang55 2016-10-5 23:56
光量子计算机编码的改进措施之测量改进 首先，之前的量子测量，如图 下面是改进后的方式，如图 （图中， a 为半透镜， b 为检测器 ） 由以上设计可知，量子计算机的速度由旋转速度与测量器个数决定，我们将检测器的个数与旋转速度，同时作为量子为位个数，一个检测器在一个周期内测量完成 4 个量子位测量编码，两个完成 8 个测量编码。 这只是两个光子，有 4 束光。 4 个光子有 16 束光。那么一个检测器，就可以在一个周期内测量 16 个量子位，如果是 2 个则是 32 个位。 那么，此计算机的处理速度（按 位 \ 秒计算）为 Z × ，其中 Z 为旋转频率。 我们用 50 个量子位举例，如果设置 50 个检测器，旋转频率为 1MHZ ，那么每秒计算速度（位 \ 秒）为 10 8 × 2 50 为 1 千万亿亿次位运算，而 50 个检测器是很容易达到的。而如果是 100 个量子位，我们同样可以用 50 个检测器来完成，而运算速度则需乘 2 50 。同样得到很高的提升。实际位运算为百万亿亿亿亿次每秒 图片在附件中 光量子计算机编码的改进措施之测量改进.docx
个人分类: 交流感受|488 次阅读|0 个评论
利用单位圆进行三量子编码
jiazhang55 2016-9-23 21:35
首先制备三量子纠缠态，我们可以对其中任一粒子进行测量，测量变量为动量。 由测不准原理可知动量与位置无法同时测量，但可以利用（1，c）的通解性质，确定粒子在单位圆上的位置。 （一维波函数本身就是一个单位圆，而单位1为波函数的直径，c为粒子在单位圆上的位置，位置只受粒子速度（动量）的影响），单位圆本身是不确定的，所以不违背测不准原理。 说了这么多，就是为了知道次粒子在单位圆上的位置， 如果三粒子被设置为相互正交， 对于三粒子纠缠态，单位圆是被三等分的，这样如果测量其中一个粒子在单位圆的位置为三等分点，那么结果可知三粒子相干，如果不是则不相干。此为判断相干的方法 下面为判断量子复制的正确性，首先需要四量子纠缠系统，其中四量子相互纠缠，测量其中一个量子，将单位圆4等分，可知当正确编码为111，则被测量量子此时振幅只有两种状态，正4倍与负1/3倍，其他状态为错误态。 若正确编码为000，则被测量量子振幅为正1/3或负4倍，若正确编码为010，则测量结果为正1或负2。若为001，则可通过转换测量目标量子，根据多次测量结果（最多两次）来完成判断1所在位置。 至此量子编码完成，此编码为可扩展通用量子编码技术。看懂的请评论谢谢
个人分类: 双四维时空|491 次阅读|0 个评论
[转载]重磅│量子计算机应用上的重大突破，两个量子位即可计算分子基态
热度 1 uestc2014xiaoyu 2016-8-11 21:21
引自： http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA3NTIyODUzNA==mid=2649524531idx=1sn=f4f7ce37f6a969b05affb8a407b5b237scene=0#wechat_redirect 转载前言： 由于图片未经授权，不能转载，所以，为了不影响阅读，请大家通过链接查阅原文！ 量子计算已经不是什么新鲜话题了，但一直以来，该领域的研究总感觉在给人们画大饼，关于研究成果，也总是出现“未来”、“总有一天”、“或许”等字眼，难免让人产生审美疲劳。 在科学家们的确在通往“量子天堂”的路上，的确取得了一个又一个的成果，但真正实用的成果并不多。但现在， 突破就在眼前，量子革命即将来临！ 如果你比较关注量子计算方面的研究进展，可能还记得，两个月前，《Nature》刊登了一篇关于将量子计算的 数字化与模拟方法 相结合的论文。通过数模结合，科学家们创造了一种更稳定的架构。 虽然这一成果极具潜力，但与其他类型的量子计算机相比，还算不上是突破性进展。 时至今日，类似的设备已经被用于量子化学计算，结果令人振奋，计算结果出奇的准确！ 就在上个月，科学家们使用了 一台9量子位量子计算机 ，仅用了其中两个量子比特位进行了 氢气分子的基态和化学键长的模拟计算实验 。 获得了能态和键长信息后，就能计算使氢分子键断裂的能量。由 于传统计算机 利用量子化学方法 也能计算氢分子的能态 ，所以 实验结果能够得到很好地对比和验证。 可喜的是，从结果来看该量子计算机的结果相当准确。那么，这台量子计算机是怎么计算的？ 科学家们尝试了两种不同的方法“可变量子本征求解”（Variational Quantum Eigensolver，VQE）和“相位估值算法”（Phase Estimation Algorithm，PEA）。 PEA属于量子化学的传统量子算法，由于计算每进一步需要耗费大量资源，无法达到化学精度，结果不怎么理想。 而另一种VQE方法在实验中表现出 更高的鲁棒性 （robust，越高意味着在各种极端情况下的生存能力越强） 和可适应性，获得了足够的化学精 度 。 VQE量子算法的硬件、软件图解。硬件部分：图显示了两个Xmon量子比特位和进行单量子比特位旋转的微波脉冲序列（粗线），以及进行量子比特位测量的微波光谱（细线）。软件部分：图显示了Hartree-Fock准态的量子电路图。 图片来源： P. J. J. O’Malley, et al, Physical Review X, 2016. 那么，VQE量子算法到底该怎么理解？ 简单来说，要用这个算法，就必须找到分子的基态，即化学分子能量最低的状态，而对应于该基态的数学函数计算出来的相应状态能不可能比基态能再低，只可能是相等或者更高的值。 明白了这点，就不难想到可以用迭代的方法来无限逼近基态能：首先选取一系列初始化函数和参数，不断改变参数来优化结果，重复迭代直到找到获得绝对最小值的参数和函数。 此时，所得到的函数就会非常接近真实的分子基态能。而在获得了分子基态能相对应的函数后，我们就可以计算任何想知道的分子信息。 科学家们最终的分子能态模拟结果达到了万分之一的精度。 这支科学家团队由来自英美的各大高校和研究所，相关成果于7月18日发表在了《Physical Review X》上，论文的第一作者是来自加州大学圣芭芭拉分校物理系的科学家彼得·奥马利（Peter O'Malley）。 从表面上看，计算氢分子能态并不是什么了不起的事情。 可是要知道完成这样的计算仅仅使用了两个量子比特位，而整个量子计算机却有着9个量子位 。 因此从理论上，这台9量子位量子计算机能够计算更加复杂的化学分子，当然这样的运算可能仍然没有突破传统计算机目前的极限。 科学家们宣称，这台9量子比特位的计算机在结构上是可扩展的。鉴于操作性的问题，这个扩展能否成功，其实还很难说。 但是，如果科学家们做成了， 那么量子计算机在结构化学的计算上绝对会带给我们无数的惊喜。 还没看懂？那我们再来交待一下背景，并建议您耐心读完下面的500字。 一点不像化学的量子化学 物理学家可能会告诉你，化学其实也是物理。但化学家会告诉你，那些解不出来的方程可能具有物理学意义，对于化学来说则完全没有意义，这意味着反应根本无法进行。 其实，物理学家和化学家说的都没错， 所有的分子都有固定形态，使分子键断裂都是需要能量的，因此在化学反应中会吸收或释放出特定的能量，这些能量的大小与分子的结构息息相关。 量子力学规定了分子结构。如果能解出某个分子的薛定谔方程， 就意味着可以了解这个分子结构的所有信息 。其中当然也包括了打开分子键所需要的能量，这样一来， 就可以推算出在已知能量下的反应速度。 在这基础之上，对反应环境的研究就变得简单了， 我们同时还可以确定催化剂是如何改变分子形态，让化学反应更容易发生。 问题在于，分子键的长度决定了将其切断所需的能量，所以，任何对分子结构的错误计算都将导致对反应速率预测的误差的指数级增长。 如果我们能找到薛定谔方程中的精确解，那误差倒不是个问题。但事实上，我们连氢原子的精确解都找不到。 此外，如果计算对象是结构更为复杂的分子，所消耗的时间将大到没有可操作性。所以大家现在经常会用到多层近似法，牺牲一些精确度来换取时间上的平衡。 各种近似法带来了误差，而这些计算误差也会随着计算规模的增加而急剧扩大。 总的来说， 在计算过程中，分子键健长的误差，导致了计算键断开能量的误差，最终导致了化学反应的速率的极大误差。 因此，尽管现有的各种模型在进行很多类型的计算时都有不俗的表现， 但唯独在计算化学键断开所需要的能量时，表现差强人意，而其导致的结果就是误差更大的反应速率计算。 规模一大就出错 量子化学如此困难的原因在于， 计算时体系内的个体数量以及它们之间的互动关系多的不可想象。 比如，对一个氢原子进行计算，只要计算一个电子和一个质子的相互作用；对一个氢分子进行计算，要计算两个质子和两个电子之间的相互作用。 此外，两个电子的自旋也要纳入考虑，因为这对系统的演化有重要影响。如果原子数更多，那么复杂度增加极其迅速。 我们可以用一个舞会来类比量子化学计算：你不可能在任意一个时刻，精确计算出每个舞者在和谁跳舞。如果你非要达到这一点，那么你要不断跟踪每个人的舞伴；要不断跟踪那些刚刚拒绝了上一个舞伴的人；要不断跟踪那些不愿意跟任何人跳舞的人；要把跳的快的人和跳的慢的人区分开。 计算量不可想象——至少对传统计算式机是这样。 然而，量子算法可以克服这一困难。多年来，科学家发明了多种量子算法来有效计算物质结构和分子的最低能态——即它最可能存在的形式。 尽管量子算法的具体计算能力仍有争议，但这些争议之前没法化解，因为没有量子计算硬件来测试这些算法。 为什么量子算法更快？因为分子中的电子不能任意选择状态。 首先，分子的能态决定了电子只能处于某些状态。 其次，如果一个电子处于一个特定状态，第二个电子就不能处于该状态（泡利不相容原理）。 第三条规律则是所谓的量子纠缠态，即如果电子1进入了状态a，电子2进入状态b，则这种轨道进入不是完全随机的，电子1进入的状态可以影响电子2进入哪个轨道。 量子力学可以描述量子纠缠这种相关性，从而预测两个量子比特的行为。举个例子，如果两个量子比特在观测之前处于叠加态，一个比特处于a状态的概率为75%，处于b状态的概率为25%。另一个量子比特相反:处于a状态的概率为25%，处于状态b的概率为25%。两个处于相互纠缠态的电子就可以充当两个量子比特。 然而，在经典计算机体系下，每个比特处于确定的状态。因此，随着体系中电子数目的增加，计算量增长呈指数增长。因此靠经典计算机进行一个水分子的量子化学计算还是可行的，但是计算一个蛋白质分子就完全不行了。 但量子计算机还是存在一些技术问题的，比如，用两个纠缠态的电子来精确代表分子，只能在特定的耦合方式下实现。 不过，科学家们正是为了解决这个问题而来的。 参考： P. J. J. O’Malley et el, Scalable Quantum Simulation of Molecular Energies, Phy. Rev. X 2016 , 6, 031007. C. LEE, Hydrogen molecule falls to quantum computer, 2016 , http://arstechnica.co.uk/science/2016/08/quantum-computer-tackles-quantum-chemistry/ P. Ball, Quantum computer simulates hydrogen molecule, 2016, http://www.rsc.org/chemistryworld/2016/07/quantum-computer-simulates-hydrogen-molecule-complex-calculations
个人分类: 量子机器学习|16258 次阅读|2 个评论
韩春雨没降温量子计算机又来了
热度 15 gaoshannankai 2016-5-10 10:22
刘洋老师 多篇文章 在科学网介绍了量子计算机的进展， 冷清的场面，与alpha狗下围棋形成鲜明对比。 IBM量子计算机开放试用 http://blog.sciencenet.cn/blog-1750-975985.html 韩春雨老师 基因组编辑的新闻 陆续也被主流媒体报道了。 IBM量子计算机开放试用在国内还是静悄悄的，估计，当前 我们国家的公民科学素质，也没有人会去用用。 再次说明了，我们国家的反智文化，和中世纪状态。 正确的，代表先进生产力的，代表历史趋势的被压制， 虚假的，坑蒙拐骗的东西在主流媒体抢占制高点。 由于本文从事交叉学科研究，对于生命和信息两个领域的新技术比较关注， 本人自信，任何技术是好是坏，逃不出我的法眼。 生命科学当前还是处于未成年期，基本上个人智力占据主要因素，因此， 在中国当前的环境下，偶尔可以蹦出一个韩春雨，以后也许还能蹦出一个韩夏雨， 韩秋雨或韩冬雨。现在各位根据顺序改名字还来得及。 但是，信息科学基本上理论到工业体系都很成熟，主要是资本和技术推进的。 因此，决策非常总要。 我们也看到了日本在80年代电子工业到达顶峰，看着要 灭了美国，intel就是在破产前痛苦的完成了转型。但是，后来，日本政府推出 的一系列大项目大规划，最著名就是高清晰电视，他在自己半导体工业已经超过 美国的前提下，走的模拟路线，最终走向了灭亡。这不得不让我们想起当年的 日美太平洋战争，日本在航空母舰和舰载机几乎完胜美国的前提下，转而发展 大炮巨舰；美国从日本空袭珍珠港的失败中，知道了航母的重要性，徒弟最后 用同样的招数教训了师傅。更为荒唐的是，日本的整个海军作战，其战略上是由 陆军部指导的；无独有偶，他的兄弟国家的公安部长，是没有当过警察的石油 部门的领导出任的。 信息科学领域，出不了韩春雨，出来的只有x度，x里，资本没有推动技术，只是 为某些利益集团积累了更多的资本。 信息学科是当前发展最快的学科，如果不是 科研一线的一流专家来搞，哪怕差一点点，就是死。 IBM之所以从第一台大型机到现在，始终引领IT趋势，很大程度上在于他的决策层， 是由一群智商超高级的优等白人统领的。戴老师讲的 ***猪，我给说明一下，就是 在我们国家冒充各类专家，搞瞎b式评审的 弱智库的成员们。 请刘洋老师搞一篇博文，简单介绍介绍ibm量子计算机，有利于提高 大家的科学素质。更主要是，哪位老师网络好一点，能否根据刘洋老师的链接， 登录到那个计算机，试用一下，把测试结果给我们大家说说。 http://www.research.ibm.com/quantum/ 信息领域，我们被太多的骗子误导了，错过了黄金发展时期，现在单纯依靠自主研发 肯定是不行了，更重要要通过各种手段，打入IBM、google等核心开发团队，尽量缩短差距。
4070 次阅读|19 个评论
IBM量子计算机开放试用
热度 6 outcrop 2016-5-9 10:35
重要的是公众可申请试用，计算能力是5qbit 。地址： http://www.research.ibm.com/quantum/ 一个新时代马上就要来临？感觉比预期的快。
个人分类: 计算机应用技术|5320 次阅读|22 个评论
巫术or科学-量子通信“京沪干线”无法破？
热度 2 冯用军 2016-3-18 14:54
量子纠缠——无法想象的“鬼魅超距离作用效应” “皇帝已经穿上了量子力学的新衣”，但那个孩子呢？ 【浙江卫视】《二十四小时》的 神秘门 、【湖南卫视】《全员加速中》的 时空门 想象一下遥远未来的某一天，在上海，你走进一个透明的圆筒状扫描舱中，装置便开始击碎你的身体，将其分解成为基本粒子，并扫描每一个粒子；与此同时，位于北京的一个扫描舱也对其中的粒子进行扫描，列出上海与北京两组粒子的量子状态对照表，接着加入了纠缠效应。随后，操作员将量子状态对照表传送到北京，在那边用这张表来重建你身体粒子的确切量子状态。由于鬼魅般的超距作用，另一个你就在北京成形了。这并非是你身体的粒子从上海移动到了北京，而是量子纠缠允许你的量子状态可以在上海被撷取，于是你的复制品到了北京。在北京成形的那位的确是你，因为在上海测量所有粒子的状态时，就已经摧毁了原来的你。 【以后妈妈再也不用担心我拿不到北京户口啦 】 “量子纠缠”可以预测相隔甚远的一对量子的状态，即便二者远在天涯，其行为也相互关联 【以下剧情如有雷同，纯属巧合： 潘拍马屁到 ：你的 量子力学已达职业物理学家的水准。 饶貌似不领情： 像这种玄学 ，... 。潘老师急忙打断： 不不不，是科学 ！ 饶同学继续砸场： 物理学还有不是玄学的一部分 ？ 】 量子系统内部非常脆弱，因为任何一点来自外部世界的细小干扰都会使整个系统状态崩溃。这一特性令量子存储的实现困难重重，因为很难确定其是否成功保存输入的信息。 张江国家自主创新示范区的中国科学技术大学上海研究院，今年将注定成为全球瞩目的科学地标——今年7月，我国将发射全球首颗“量子科学实验卫星”，而科学实验中心(上海)即设在该院：今年底，全球第一条远距离量子保密通信干线“京沪干线”将建成并验收，京沪两地及沿线的金融、政务机构可利用这条线路，进行远程数据灾备和量子安全数据传输，从物理原理上确保不可能被第三方窃听到有用信息。 　　今年7月，我国将发射“量子科学实验卫星”。这颗由中国科大、中科院上海技术物理研究所、中科院上海微小卫星工程中心、中科院成都光电技术研究所等单位联合研制的卫星，将在全球率先实现高速星地量子通信。作为“天地一体化”的地面设施，量子保密通信“京沪干线”计划今年底建成并验收。“京沪干线”总长2000余公里，从北京出发，经过济南、合肥，到达上海。利用这一广域光纤量子通信网络，京沪两地的金融、政务等机构能进行保密通信。 中国即将启动一个可将信息量子化并传入太空的项目，该通信系统可能将无法被破解， 在一定程度上使得中国的军事网络牢不可破，抵挡任何入侵企图。 科普文章： 量子纠缠，是量子力学里最古怪的东西，因为它能产生“鬼魅般的超距作用”。在未来世界里，人类或许能通过量子纠缠来实现“瞬间移动”，将人体或物体从一处传送到另一处。 爱因斯坦生前常说，量子力学并非有误，它只是到目前为止还不够完备，还没有找出那些可以准确预测出事物的关键要素。 尽管爱因斯坦如此评价，波尔仍然不为所动。尽管爱因斯坦说“上帝不掷骰子”，波尔则答复道：“别再告诉我上帝该怎么做了。”但在1935年，爱因斯坦认为他终于找到了量子力学的致命弱点。这事件诡异至极，它违反了宇宙中所有的逻辑，爱因斯坦认为这是能够证明量子力学不完备的关键——这就是“量子纠缠”。 波尔与爱氏之争 史上最怪、最不合理、最疯狂、最荒谬的量子力学预测便是“量子纠缠”。量子纠缠是一种理论性的预测，它是从量子力学的方程式中得来的。如果两个粒子的距离够近，它们可以变成纠缠状态而使某些性质连接。出乎意料的是，量子力学表明，即便你将这两个粒子分开，让它们以反方向运动，它们依旧无法摆脱纠缠态。 要了解量子纠缠有多么怪异，我们可以拿电子的“自旋”作例子。电子的自旋与陀螺不同，其状态总是游移不定的，直到你观测它的那一刻才能决定。当你观测它时，就会发现它不是顺时针转就是逆时针转。假设有两个互相纠缠的电子对，当其中一个顺时针转时，另一个就逆时针转，反之亦然。不过奇怪之处是它们并没有真正连接在一起。对量子理论坚信不疑的波尔和他的同事们相信，量子纠缠可以预测相隔甚远的电子对的状态，即便它们一个在地球，一个在月球，没有传输线相连，如果你在某个时刻观测到其中一个电子在顺时针旋转，那么另一个在同一时刻必定是在逆时针旋转。换句话说，如果你对其中一个粒子进行观测，那么你不止是影响了它，你的观测也同时影响了它所纠缠的伙伴，而且这与两个粒子间的距离无关。两个粒子的这种怪异的远距离连接，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”。 量子纠缠的神奇之处就在于，当你对其中一个粒子测量时，也会影响到另一个粒子的状态，尽管二者之间没有作用力、滑轮或电话线之类的东西相连，没有任何方法可以彼此沟通。这真是诡异至极啊！ 爱因斯坦无法相信纠缠会如此运作，于是他说服自己：出错的是数学，而不是现实。他赞同纠缠态的粒子是存在的，但他认为有更简单的方式可以解释为什么它们彼此连接，而不必涉及神秘的超距作用。他坚信一对纠缠态的粒子更像是一双手套。想象把一双手套分开放置于两只箱子中，然后一只箱子交给你保管，另一只箱子则放置于南极洲，在你开箱以前就知道箱子里放着左手或右手的手套。然后你打开箱子，如果看见左手的手套，在这瞬间，就算没人看过南极洲的箱子，你也能够知道那里装的是右手的手套。这一点也不神秘，你打开箱子，显然不会影响到另一只箱子里的手套。你身边的这只箱子装着左手的手套，而南极洲的那只箱子则装着右手的手套，这是在当初分装时就已决定了的。爱因斯坦相信，所谓的纠缠态只不过如此而已，电子的一切状态在它们彼此分离的时候就已经决定了。 波尔和爱氏，到底谁对谁错呢？波尔所拥护的量子力学方程式表明，相互纠缠的粒子即使相距很远，也可以互相连接；而爱因斯坦则不相信有鬼魅般的连接，而认为在你观察以前，一切就已经决定了。爱因斯坦称，粒子在被观测前就已经决定了自旋状态。你对爱因斯坦说“那你怎么知道呢”，他会说“你测量它，就会发现那绝对的自旋态”。波尔则会说“但是那自旋的状态是由于你的观测所造成的”。当时，没人晓得怎么去解决这个问题，于是这个问题被认为是哲学问题，而不是科学问题。1955年，爱因斯坦逝世前仍旧相信量子力学是个不完备的理论。 克劳泽的验证 1967年，在美国哥伦比亚大学，爱因斯坦挑战量子力学的任务由一位年轻人承接下来了。当时，约翰·克劳泽（John Clauser）正在寻找天文物理学博士论文的课题。在读了一篇鲜为人知、由爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）所写的论文后，克劳泽认为自己找到了验证谁对谁错的实验方法。在这篇论文中，贝尔已经发现如何验证纠缠态的粒子究竟是用鬼魅般的作用来沟通，抑或是根本就没有什么鬼魅，粒子的状态就像是成双的手套那样早就已经决定了的。贝尔甚至巧用数学运算，证明了如果这鬼魅般的作用不成立，那么量子力学就正如爱因斯坦所想的那样，是错的。贝尔是个理论物理学家，他的论文表明只要你能够建造出一种仪器，能够大量制造并比较纠缠态的粒子，这个问题就可以被解决。 按照贝尔在论文中的想象，克劳泽设计出了能够平息这场争论的仪器。“那时候我还只是个笨手笨脚的研究生，便很幸运地有了一个机会来发现能够震撼全世界的结果。”克劳泽的仪器可以测量数以千计的纠缠粒子，然后比较它们的自旋状态，但随着结果逐渐揭晓，克劳泽感到惊讶并为此不悦。“我不断地问自己：我哪里做错了吗？”克劳泽反复重复了自己的实验。不久后法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）进行了更明确的测试，得到了更加确定的结果，消除了一切疑问。 克劳泽与阿斯佩的结果相当惊人，他们证明了量子力学的方程是正确的，纠缠是真实的，粒子可以跨越空间连接——对其一进行测量，确实可以瞬间影响到它远方的同伴，仿佛跨越了空间限制。爱因斯坦生前认为不可能的“鬼魅般的超距作用”，确实存在。“我再次为自己没有推翻量子力学而感到难过，因为无论是在当时还是现在，要我理解量子力学都是很困难的。”克劳泽说。 瞬间移动技术 量子纠缠，是量子力学里最古怪的东西。即使我们无法领会它，也不要问这是为什么，我们只能说，世界显然就是如此运作的。倘若我们能够接受世界原本就是如此古怪的事实，那么我们能否利用这种“鬼魅般的超距作用”来做些有用的事情呢？好吧，梦想之一就是实现“瞬间移动”，将人体或物体从一处传送到另一处，而不需要经过中间的空间。 美国科幻剧《星际迷航》总是在用“瞬间移动”方法，把人从一处送到另一处。不过这是科幻，量子纠缠能使梦想成真吗？事实上，瞬间移动的实验早就在非洲加那利群岛的海岸边进行了。“我们之所以选在加那利群岛做实验，是因为这里有两座天文台，这样的实验环境很棒。”维也纳大学的实验物理学家 安东 ·蔡林格（Anton Zeilinger）说。蔡林格的传送对象不是他自己或其他人，他试图利用量子纠缠来传送单一微小的粒子，在此例中是光的粒子，即光子。他先在拉帕尔玛的实验室中制造出一对纠缠的光子，将其一留在拉帕尔玛，另一个则用激光发送到140公里外的特内里费岛上。蔡林格再追加第三颗要被传送的光子，让它与留在拉帕尔玛的纠缠光子互相作用。研究团队再将这两个光子的量子状态作出比较，神奇的事就发生了。由于鬼魅般的超距作用，团队能够利用这项比较来将远方岛上的纠缠态光子转变为与第三颗光子相同的东西，仿佛第三颗光子瞬间超越了海洋一样。 “这就像是取出了原本光子的信息，然后在远方重建它。”使用这种技术，蔡林格已经成功传送了几十个光子。 如果将这种技术继续发展下去会如何呢？既然我们的身体也是由粒子所组成的，这项技术未来能否用来传送人体呢？假如你人在上海，却想去巴黎吃顿午餐，那么理论上，量子纠缠在未来可以使之实现。你只需要在上海把自己变成一群粒子，并使它们与巴黎的另一群粒子纠缠。 想象一下遥远未来的某一天，在上海，你走进一个透明的圆筒状扫描舱中，装置便开始击碎你的身体，将其分解成为基本粒子，并扫描每一个粒子；与此同时，位于巴黎的一个扫描舱也对其中的粒子进行扫描，列出上海与巴黎两组粒子的量子状态对照表，接着加入了纠缠效应。随后，操作员将量子状态对照表传送到巴黎，在那边用这张表来重建你身体粒子的确切量子状态。由于鬼魅般的超距作用，另一个你就在巴黎成形了。这并非是你身体的粒子从上海移动到了巴黎，而是量子纠缠允许你的量子状态可以在上海被撷取，于是你的复制品到了巴黎。在巴黎成形的那位的确是你，因为在上海测量所有粒子的状态时，就已经摧毁了原来的你。 蔡林格认为：“这是一个深刻的哲学问题。到达接收站的个体究竟是不是本来的个体？我所说的‘本来’的个体，应该是含有原本个体的所有特性，如果是这样的话，那么就可以算是‘本来’”。就目前的技术而言，我们离人体“瞬间移动”还很遥远，但这样的展望仍然会引发我们的深思。显然，位于上海与位于巴黎两处的你是毫无差异的，因为根据量子力学，让你成为你的不是物理粒子，而是这些物理粒子中所包含的信息，而构成你身体的几百万兆个粒子中的信息都可以被传送。不过你或许仍然会问：巴黎那边的我真的是我吗？ 不过，人的情感却往往是非理性的。克劳泽就曾说过：“我可不想踏进那机器里一步。”
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拿什么拯救你-危机四伏中的密码系统
热度 24 lxu2800 2016-3-8 10:04
量子密钥分配技术（上）拿什么拯救你-危机四伏中的密码系统 长久以来人们都把密码与军事、外交联系在一起，印象中使用密码的人物如果不是躲在阴暗角落的间谍特务就是捍卫国家安全的孤胆英雄。事实上，今天每个普通人都离不开密码，密码技术已经飞入平常百姓家。当你在网上购物，当你用手机通话或收发微信，所有信息都在开放共享的网络上传输，现代通讯技术使得信息的传输变得十分方便、迅速和高效，但同时它也使信息很容易被黑客截获，没有密码技术保护在网上使用信用卡，在无线网上通话将会是难以想象的。据估计，每天有全世界生产总值一半以上的金钱财产在国际银行金融电讯网络（SWIFT）上流动，这样大规模的金融活动如果失去可靠有效的密码技术保护必会引起世界级的灾难！ 当然现代化的军隊也比过去更依赖于密码技术，否则哪来远程打击？如果遥测遥控的信息被盗，敌方可以隐藏保护自己，或者可以改变导弹的轨迹，甚至操纵无人机据为已有。事实上对今日的攻击方而言，使用导弹和飞机已是多余，如果能破解对方的密码系统，发个命令就可以秒杀对方城市的供电、公交和电讯系统，真正达到“不战而屈人之兵”的最佳效果。 可以毫不夸张地说，密码学是信息时代-后工业时代的基础，密码技术对于政府、军队和大众生活，已是不可须臾离者也，它像空气一样，人们一刻也少不了它，但却常常为人所忽视。今天的密码技术正面临着严峻的挑战，新技术的研发已经刻不容缓。本文上篇将通过对密码技术基本知识的介绍，把密码危机的由来解释清楚，从而明白为什么要引人量子密钥分配技术，下篇将着重介绍量子密钥分配的原理和该技术的现状和展望。 简单地说，密码技术就是发送方通过双方认同的某种规律把明文加密后得到密文，然后通过不安全讯道送给接送方，接收方再按照该规律把密文解密后还原成明文。最古典的两种加密方法无非是字母的置换和替代。 替代法是按规律地将一组字母换成其他字母或符号，例如明文‘fly at once’变成密文‘gmz bu podf’（每个字母用字母序列中下一个字母取代）。使用同样的方法只要改变一个参数（每个字母用下两个字母取代），密文就变成‘hha cv qpfg’。在密码学中把这种加密解密的方法称为密码算法，而把算法中的秘密参数称为密钥（Key），它只能为通讯双方共享。 P1)对称密码体制中用相同的密钥作为加密和解密算法中的秘密参数。 自有密码技术诞生起，破密技术的发展就没有消停过，这对冤家兄弟从古至今爭斗得难分难离。例如上面提到的字母替代法早已停止使用，它太容易被敌方破译。因为每个英文字母在明文中出现的机率是不同的，只要把密文中的字母也作一次出现率统计，不难找出字母之间替代的规律，从而破解密文。 道高一尺，魔高一丈，高级的加密算法使字母的替代不是固定一一对应关系，字母替代的次序与出现机率也不是固定的，有兴趣的可以看本文后面附件中的“维热纳尔方阵”算法，这种算法并不难理解，但如果没有密钥就很难破译 。 二战中徳国军队使用的恩尼格玛(Enigma)密码机把密码技术推到了当时的顶峰。恩尼格玛密码机在密码技术上有三个突破：1）密码机依靠机电设备自动完成加密和解密过程，因而可以高效正确地完成高度复杂的密码算法；2）密码机上的转轮的设置和面板对接孔联线方式决定了字母复杂多变的替代关系，它们就是系统的密钥，密钥可以轻松地每天一变，这使得对密文的破译变得更为困难；3）由于算法和密钥的彻底分离，使得敌方缴获密码机没有多大用处，通讯的安全是靠复杂多变的密钥得到保障 。 P2)二战中德军使用的恩尼格玛密码机。（右边）密码机上的转轮的配置和起始点的变化再加上机子正下方的对接孔不同的联接方式共同构成了系统的密钥。 战时的英国情报机关为了破译德国的恩尼格玛密码伤足了脑筯，回顾这段历史的“Imitation Game ”是部值得一看的好电影。但是该影片过份夸大了英国情报机关的功绩，事实上战前波兰破译小组对恩尼格玛密码机的深入研究和德国内部叛徒提供的有关资料都为英国的破译帮了大忙。当然天才数学家图灵为破译恩尼格玛作出了巨大的贡献，图灵首先意识到“解铃还须系铃人”，机器成生的密码只能依靠机器破译，为此他越级向英国首相丘吉尔直接打报告，申请十万英镑研制破译机器，这在当时是一笔巨款。令所有人意外的是，丘吉尔竟然批准了这个看似极不靠谱项目，而且在百忙之中，亲自探望了图灵为首的破译小组。什么是领袖气质？领袖一定要能做到：慧眼识才招揽天下英雄；高瞻远瞩把握长远趋势。丘吉尔真不愧是一位世界级的枭雄。 英国情报部门对恩尼格玛密码机破译始终守口如瓶、滴水不漏，到战争结束，德军仍不知自己许多重要军事行动已被英国掌握。更绝的是，英国战后把缴获的成千上万台恩尼格玛密码机送给了原殖民地的英国盟国，这些国家长期使用它们直到七十年代初期，而有关破译恩尼格玛密码机的故事要到七十年代中期才被逐步透露出来。英国正应该称为“阴国”才名符其实，由此也可看到殖民地国家要摆脱宗主国的控制获得真正的独立有多么的不容易。 有了电脑以后，现代密码技术的算法更为高度复杂化。现今普遍使用的DES算法具有极高安全性，到目前为止，除了用穷举搜索法对DES算法进行攻击外，还没有发现更有效的办法。而近年来提出了AES和三重DES的变形方式会使破译变得更加困难。由于密钥中每位的数值是完全隨机选取的，一个128位长的密钥有2的128次方的不同组合，在世界最快的计算机中国天河2号上用穷举搜索法攻击也至少要化一万亿年才能得手！ 有必要再次强调密码系统包括算法和密钥两部份。一个好的密码系统的算法可以是公开的，就像上面提到的DES算法，只要通讯双方保护好密钥，加密后的资料就是安全的。这个原则又被称为柯克霍夫原则（Kerckhoffs' principle）。认为所有加密法都可以被破解是大众的误解。理论上已经证明，只要密钥不再重新使用，信息被与其等长或更长的密钥加密后是不可能破密的。 既然如此，那么信息安全危机究竟在哪里呢？到目前为止讨论的所有密码体制中通讯双方使用相同的密钥进行加密和解密，在这种对称密码体制中信息的安全靠密钥保证。需要改变密钥时，通讯双方必须直接碰头交换，或者由可信任的第三方配送。所有问题也就发生在密钥分配过程中。保护和窃取密钥一直是许多警谍影视剧的重头戏，情节常常是这样的：交通员单骑行千里，到了上海的茶馆店里把缝在裤子里密码交与地下工作者，一旦发生意外把密码吞进肚子。由此也不难理解京剧“红灯记”歌词：“铁梅我，有准备；不怕抓，不怕放，不怕皮鞭打，不怕监牢押！粉身碎骨不交密电码--”。 美国政府的密钥是COMSEC（通讯安全局）掌管和分发的，七十年代时，它们每天分发的密钥数以吨计。当装载着COMSEC密钥的船靠港时，密码分发员会上船收集各种卡片、纸带以及其它一切贮存密钥的介质，然后把它们分送给各处的客户。依靠第三方配送密钥增加了通迅双方的开支，而且第三方配送者本身也构成了严重的安全隠患。 为了确保信息的安全必须经常更换密钥，但今天的通讯者常常相隔千山万水，要让通讯双方碰头交换密钥非常不现实，依靠第三方配送密钥一般人根本负担不起，而且也不一定及时可靠。密钥的配送问题长期困扰着密码学的专家们。 到了七十年代，一种称为非对称密码体制（又称为公钥密码体制）应运而生。在前面介绍的对称密码体制中通讯双方使用同一个密钥进行加密和解密，而非对称密码通讯时加密和解密使用一对公钥和私钥，用公钥加密后的文件只能被与其对应的私钥解密，反之也然。现在请对照下图来了解公钥密码体制的流程。右边接收方通过计算产生一对公钥和私钥（分别为绿色和红色），接收方把绿色的公钥通过公开信道大大方方地送给左边的发送方，发送方用接收方送来的公钥对文件加密后通过公开信道送给接收方，接收方用红色的私钥对文件解密，文件安全可靠地从发送方送到了接收方。 P3)非对称密码体制（即公钥密码体制）的原理示意图。 公钥密码体制的关键是用了公钥和私钥，一个公开一个隠秘，第三者拿了公钥没有任何用处，公钥能用来加密但不能解密，也推算不出私钥。而通讯双方可以隨时产生新的密钥对，把公钥通过开放信道送给发送方，把私钥藏妥，通讯双方无需直接碰头。这里介绍的是公钥密码体制的基本原理，实际应用中略为复杂一点，但原理相差无几 。 为了更好地理解公钥密码体制，可以把公钥看成一把打开的锁，私钥就是开锁的钥。接收方B把打开的锁通过公共渠道传给发送方A，A把文件放于箱中并用B送来的锁把箱子锁上，加锁后的箱子再通过公共渠道返还B，B用私钥把锁打开取出箱中文件。在传送过程中截获打开的锁毫无意义，事实上B乐意把许多打开的锁送出去并为众人所有，这样大家可以加锁给他送密信，而这把锁一旦锁上任何人再也无法打开，除了握有私钥的接收方B。 公钥密码体制中加密和解密的算法很复杂，计算量大，事实上很少直接用它来加密文件，它真正的用途是用来传送前面所介绍的对称密码体制中的那个通讯双方共用的密钥。所以实际上文件传送流程应该是这样：A方先决定一个密钥，然后用B送来的公钥加密后传给B，B用自己的私钥对其解密后获得真正的密钥，然后双方就用此密钥对文件加密后传送给对方，收到方用该密钥对文件解密。这样的系统很安全，因为密钥可以随时改变并被公钥密码体制保护后在公共讯道上传输不被截获，这才是通讯安全的根本保证。 那么天下是否就此太平无事了呢？很遗憾，答案却是否定的。“天下有贼”，而且贼的本事贼大。黑客攻击的重点是公钥系统，RSA公钥的产生基于两个大质数的乘积，它不是一个完全的隨机数，这就是整个密码系统中的阿喀琉斯的脚后根，一旦公钥系统破解，密钥就可能被截获，“皮之不存，毛将焉附？”整个系统就会崩溃。近年来美国技术标准局已经强烈建议把RSA公钥从1024位提高到2048位。 提高公钥密码位数极大地增加了加密和解密所化的时间，给日常的应用带来了诸多不便，却并没有从根本上阻止黑客攻击的热情和力度，提高位数给使用者増添的困难远超对黑客的阻力。而2014年的一条爆炸性新闻更是震惊了密码学界，从美国国家安全局（NSA）叛逃的斯诺顿（Edward Snowden）披露了NSA有一个绝密的项目 Penetrating Hard Targets，计划建造一台专用于破密的量子计算机。据传该局已经存放了大量外国政府的密电，一旦项目成功立刻对它们动手开刀。量子计算机虽然还在试制中，但贝尔实验室的一位数学家已经为此设计好了攻击RSA的算法，并声称已经写成可以在量子计算机运用的程序，它可以轻松地破解公钥密码体制。 量子计算机的研发进展是各强国的最高机密，媒体上的报道真真假假千万信不得，很有可能用以破译的专用量子计算机已经接近完工，这决不是危人耸听，密码世界从来是波诡云谲莫测高深。即使按专家们保守的预测，量子计算机的实际应用也许还要等十到十五年，但寻找新的密码系统，特别是开发密钥分配的新技术已经刻不容缓，因为新技术从开发到系统的建立和实用也需要时日，所以我们已经到了最危险的时刻！ Vigenere 密码附件 Vigenere.pdf 该密码机像部电动打字机，机器有26个字母按键和26个字母显示灯和一些机电联部件组成，这是固定部份，它们决定了加密和解密的算法；另外有三个可以装卸的转动轮和两排字母对接孔，这些转动轮排列的次序和开始的位置和字母对接孔的连线每天按照约定设置，它们就是每天通讯的密钥。发送时把明文字母用按键一一输入，经过机器复杂的变换后点亮不同的字母显示灯，这些字母出现的序列就是密文，把它用电报发送出去，接收方用同样的机器，按同样的密钥设置，键入密文，从字母显示灯的序列中读出的就是明文。 公共密钥附件 Public Key.pdf
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《量子力学的哲学》(第21讲) --- 理解量子计算机及其它应用
gaoshan1900 2015-12-4 15:23
1982 年，美国物理学家费曼最早产生了构造量子计算机的想法，他通过考察量子系统（如原子）的计算机模拟问题，而意外发现了量子系统具有普通的经典计算机所无法模拟的性质。这导致费曼猜测，利用量子系统直接构建的量子计算机可能会具有比经典计算机更强的能力。 1985 年，英国物理学家德义奇（ D. Deutsch ）进一步发展了费曼的想法，他首次描述了一种通用的量子计算机，并预言了它的非凡计算能力。 1994 年，贝尔实验室的肖尔（ Peter W. Shor ）找到了一种 分解大数的快速量子算法 ，这立刻引起了轰动，甚至恐慌，因为这种算法可以被用来破译目前最保险的密码系统！索尔的发现充分显示了量子计算机的强大威力，并很快引发了世界范围内的量子计算机研究热潮。 1996 年，贝尔实验室的格罗弗（ Lov K. Grover ）又提出一种新的 量子搜索算法 。 2000 年 8 月， IBM 公司的华裔科学家艾萨克 · 庄（ I. Chuang ）领导的小组研制成功了 5 个原子组成的量子计算机 。 神奇的计算天才 我们知道，微观粒子可以处于一种奇妙的量子叠加态中，形象地说，粒子可以同时处于两个不同的位置，可以同时通过双缝，可以同时做不同的事情。如果粒子也需要工作的话，它完全可以一边休息，一边工作。那么，这种同时性或并行性会有什么用途呢？聪明的读者一定会想到：用于计算，并行计算！ 这的确是一个美妙的想法，对不同的数同时进行计算，当然会节省计算时间了。例如，对 0 ， 1 ， 2 ，。。。 15 进行平方运算，利用经典计算方法，只能将这些数一个一个地输入计算机，并对它们分别进行计算；而利用量子方法，则可以让系统（如原子）同时处于表示这些数的状态，然后对系统实施一次平方运算操作，这样所有这些数的平方计算将同时完成！为了更直观地理解这种量子并行计算，我们采用狄拉克符号来表示这个过程。对于需要计算的输入数 0 ， 1 ， 2 ，。。。 15 ，用输入系统的经典状态 |0 〉， |1 〉， |2 〉，。。。 |15 〉来表示，并假设输出系统的初始态为 |0 〉。对于经典计算，状态的变化依次为： |0 〉 |0 〉 --- 〉 |0 〉 |0 〉 |1 〉 |0 〉 --- 〉 |1 〉 |1 〉 |2 〉 |0 〉 --- 〉 |2 〉 |4 〉 。。。 |15 〉 |0 〉 --- 〉 |15 〉 |225 〉 而对于量子并行计算，初始的状态为量子叠加态： （ |0 + |1 + |2 。。。 + |15 ） |0 〉 于是对系统的一次计算操作将导致所有的平方运算同时进行，即结果态为： |0 〉 |0 〉 + |1 〉 |1 〉 +|2 〉 |4 〉。。。 +|15 〉 |225 〉 人们称这种状态为量子纠缠态。 现在，你也许已经注意到了一个重要的问题，即尽管上述的量子计算是同时进行的，但如何得到所有这些并行计算的结果呢？无疑，这需要对系统进行测量，看一看它的输出态是什么。可惜的是，量子运动的规律并不允许同时得到这些结果，每次测量只能随机地得到一个确定的结果。对于上面的计算，结果将是 |0 〉， |1 〉， |4 〉。。。 |225 〉中的某一个。很显然，为了得到所有的结果，必须对多个同样的系统进行相同的计算，那样量子运动规律才会允许人们获得所有的结果，并且每个结果的出现几率相同，都为 1/16 。 看到这里，你也许有些灰心，既然无法同时得到量子并行计算的所有结果，而同样必须进行多次测量，那么量子计算似乎不会节省计算时间。一般来讲，你的担心是对的，即对于一般的量子计算，它并不会比经典计算更快。对于经典计算，计算所花费的时间为对每个输入数进行计算的时间总和，它正比于所需计算的输入数的数目；而对于量子计算，计算所花费的时间为对多个同样的系统进行计算的时间总和，它正比于所需测量的系统的数目。为了得到所有的计算结果，系统的数目必然要比所需计算的输入数的数目多。 发现周期 那么如何能利用量子并行计算的巨大潜力呢？出路之一是，对于某些计算问题，不需要获得所有的计算结果。然而，由于量子计算结果的随机性，这一般将等价于对随机选择的与系统数目同样多的输入数的经典计算，除非在计算结果中存在某种规律性（如周期性），而所需解决的问题也正是要找到这种规律性。的确，这便是人们可以利用量子并行性来解决某些问题的关键！ 让我们继续分析上面的例子，现在我们不仅要计算输入数的平方，而且要进一步求平方数除以 2 的余数。我们的目标是要找到计算结果中所存在的周期。容易看出，计算结果态为： |0 〉 |0 〉 + |1 〉 |1 〉 + |2 〉 |0 〉。。。 + |15 〉 |1 〉 而计算结果中的确存在一种周期性规律。然后，我们对输出态进行测量，根据量子规律测量结果只能是 0 或 1 。假设测量结果是 0 ，那么测量后的坍缩态为： （ |0 + |2 。。。 + |14 ） |0 〉 可以看出，计算结果中存在的周期性信息已转移到输入态中。问题是，有没有一个更好的方法，可以不通过对输入态进行直接测量而发现所需寻找的周期呢？这种方法如果存在，它无疑需要先对输入态进行某种非测量性的变换操作，以将所需寻找的周期值转移到单个测量结果中，而不是如原来那样仍存在于大量测量结果的分布中。这是一个简单的数学问题，给定一系列周期性数据，求它的周期。法国数学家傅立叶于 19 世纪就已经解决了这类问题，方法就是利用他发明的傅立叶变换来处理给定的数据，从而可求出它的频率。这里，我们同样可以对输入系统的状态进行傅立叶变换操作，变换后的结果态为： （ |0 + |8 ） |0 〉 由于变换前输入系统的子状态数据中存在周期性，并且周期只有一个，而傅立叶变换后的状态将只包含有关这个周期的数据。因此，变换后输入系统的子状态明显减少，这是减少测量操作的关键；同时，由于傅立叶变换本身的操作比测量出全部计算结果的操作更节省时间，这种方法将比经典计算更加快速有效。 现在，我们可以对输入系统进行测量了，结果将是 0 或 8 。如果获得了结果 8 （这只需很少的几次测量，甚至一次即可），那么利用傅立叶变换的规律，所需寻找的周期价格为： T = 16/8 = 2 当然，你早已看出这个结果了，但是对于复杂的求周期问题，如大数分解问题，量子将会比你更快得到答案。例如， 对一个 400 位的密码数字进行因数分解，使用世界上运算速度最快的巨型 计算机 也要 花费 10 亿年 ， 而如果 利用上述 量子 算法 来做，只要 1 年 的 时间就 可以 完成 ！ 最后，我们要感谢 贝尔实验室的 索尔（ P.Shor ）先生，因为这种快速的量子并行算法是他于 1994 年最早发现的。 搜索数据库 如果你比较熟悉现在的计算机或经典计算机，那么对于未来的量子计算机，原来的很多词汇仍可以保留，只是前面都要加上“量子”一词，如量子比特 ，量子逻辑门，量子寄存器等等。当然，它们的含义也将增添新的量子内容，这些变化本质上是由于量子计算机的物理载体是直接的量子客体（如原子），它运行所依据的是量子规律。 我们知道，经典比特只能为 0 或 1 ，而相应的量子比特则可以同时为 0 和 1 ，它可以写为： |0 〉 + |1 〉 很明显，利用量子比特来存储数据可以大大节省内存空间。可以看出，一个量子比特可以同时存储两个数 0 和 1 ，而两个量子比特就可以同时存储 4 个数，即： （ |0 + |1 ）（ |0 + |1 ） = |00 〉 + |01 〉 + |10 〉 + |11 〉 = |0 〉 + |1 〉 + |2 〉 + |3 〉 依此类推， N 个量子比特将可以存储2N 个数，例如，存储 0 到230 -1 之间的数需要 1G 的经典内存条，而对于量子计算机而言，只需要 30 个原子 。 然而，如果不能对存储的信息进行比经典计算机更快的搜索和处理，那么量子计算机在节省存储空间的同时，将需要花费更多的信息提取时间。那么，是否存在一种快速的量子搜索算法呢？聪明的人总会有办法。下面就让我们来看一看如何在量子数据库中快速找到所需要的信息。 假设在量子存储器中存储的信息是一个庞大的电话号码数据库，它主要由人名与电话号码的对应表组成。考虑到归一化，并假设所有存储项具有相同的权重，我们可以将量子存储器的状态写为： （ |n1 |p1 + |n2 |p2 + |n3 |p3 。。。 + |nk |pk ） 其中状态 |ni 〉为人名的量子编码态，状态 |pi 〉为电话号码的量子编码态， k 为号码簿中存储的总项数。现在的问题是，如何能快速地根据人名找到对应的电话号码，例如，我们想找到 |n3 〉的电话号码 |p3 〉。 很显然，如果直接对这一存储器状态进行测量，我们将只能随机地得到一个人名和对应的电话号码，而要找到所需要的电话号码，这种查找方法将与经典方法一样花费太多的时间。回想一下上面用来发现周期的量子方法，我们的目标还应当是：尽可能地将所要寻找的答案转移到单个测量结果中，而不是留在大量测量结果的分布中。好，现在就来看一看怎样做到这一点。 由于预先知道所要寻找的人名及其量子编码态 |n3 〉，因此可以利用所允许的量子变换操作来增加存储器状态中的子态 |n3 〉 |p3 〉的权重。这里，找到有效的量子变换是关键。 1996 年，贝尔实验室的格罗弗（ Lov K.Grover ）先生给出了第一个这样的量子变换。由于所进行的变换操作要满足量子规律，每次变换所导致的子态 |n3 〉 |p3 〉权重的增加有一个最大值，这个最大值为 的量级。因此，当进行了 次左右的量子变换操作之后， |n3 〉 |p3 〉态的权重将接近 1 ，而其余项的权重总和将接近 0 。请注意，所有项的权重之和为 1 。这时，该是进行测量的最佳时机了，测量后我们将以几乎 100% 的几率测量到人名态 |n3 〉，并发现对应的号码态 |p3 〉，从而也就找到了所需查询的电话号码。 可以看出，这种量子搜索算法所需搜寻的次数为 的量级，而采用经典搜索算法所需搜寻的次数将为 k 的量级。举个例子，如果 我们要在一个存储了全球电话号码的数据库中找到一个人的号码，目前的 “ 深蓝 ” 超级电脑要 花费 几 十 个月 的时间 ，而 利用 量子搜索算法 则只需二十几分钟。 看到这里，你或许开始佩服量子的神奇计算能力，并暗下决心去发现一个新的更快的量子算法。的确，量子计算仍然是一个尚待开发的神秘疆域，而人们目前所看到的只是它的一角。我们真心希望读者能从这里出发，去探索和开发更广阔的量子应用领域。 PoQM Lecture 21.pdf
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量子世界的牵手穿越
热度 18 Penrose 2015-9-20 19:22
看过电影《道士下山》的人一定对影片中神奇的“猿击术”武功惊叹不已，想必道士何安下将来肯定技艺超群到神乎其神。中国的道士真有那么牛么？翻一翻连环画《劳山道士》，你会发现还有更加神奇的事情——某些道士居然有毫发无损穿墙而过的道行，简直太不可思议了！要知道，对于普通人来说，要从墙的这头到墙的那头，除了消耗体力翻墙，别无他法。且莫要沮丧，从物理学的角度来看，这个“穿墙而过”可以有，只不过并不发生在我们宏观世界，而是在原子尺度的微观世界里。量子物理告诉我们，一个粒子如果想要去“山”的那一头，它根本不需要像经典物理描述的那样翻山越岭，而完全可以从山脚下打个隧道穿越过去，这个过程称之为“量子隧穿”。 为什么微观粒子可以“穿墙而过”呢？量子的世界，对于经典世界的我们是十分陌生的。大体来说，量子世界里的微观粒子并不像我们在宏观世界看到的一个个小球一样，它们除了具有“粒子性”之外，还具有“波动性”。对于微观世界的一个电子，它既可以像一个有体积有质量的粒子和别的微粒发生碰撞，又可以像一束波那样向前传播能量甚至绕过障碍物。具有“波粒二象性”的粒子行踪捉摸不定，以至于我们只能用它某时在某地出现的概率来描述。也就是说，粒子在山的这头，还是那头，完全是个概率事件。如果下一时刻，粒子跑到了山那边，就意味着它发生了“量子隧穿”。对于微观粒子而言，穿越虽并非幻想，但也不是随时随地都行的。即使面对蹦跶一下就能够得着的“高山”，粒子穿越的概率也一般小于百分之一，如果这座“山”再宽十倍变成厚墙，这个概率立马会下降到十亿分之一甚至更小。如果要让一大波不同粒子群体穿越，可能性基本上是零，这正是宏观的人类无法穿墙原因。好在微观世界电子数目多了去了，总是有那么一小撮不安分的家伙想跑到山那头去看看风景，于是，被科学家抓到了。如果用原子尺度的针尖去接近材料表面，在无须触碰到表面原子的情况下，就可以通过隧穿过来的电流大小得知材料表面电子密度的大小，就像伸手去“触摸”或“感知”原子一样。这种神器称之为“扫描隧道电子显微镜”，具有“看到”原子的火眼金睛，是现代科研常用的尖端仪器之一。 在一般的材料里面，电子都是特立独行的，它们喜欢自个儿“偷渡”到另一物体里，而懒得理会同伴。但是，如果把两块超导材料放在一起，情况就大不同啦！超导体在特定温度下电阻会消失为零，其奥秘就在于材料内部电子之间发生了奇妙的故事——某些能量相同但运动方向相反的电子会擦出爱情的火花而“两两配对”。这些超导电子对又被称为“库伯对”，是以理论预言该现象的物理学家库伯命名的。 在超导材料内部，会有大量的库伯电子对，这些幸福的对儿在受到干扰的时候会“互相鼓励”——如果某一个电子在运动过程能量受到损失，那么和它配对的那个电子的能量就会增加。因此，库伯对作为整体在运动过程中没有能量损失，也就不会产生电阻，超导体宏观电阻为零。配成对儿的电子们，就像整个班里的同学都陷入早恋一样，它们还将保持整体步调一致，大伙儿按照共同的节奏行进，物理学上称之为“相位相干”。 那么，如果把两块超导体靠近，中间还隔着一层薄薄的绝缘体，会发生什么有趣的事情？假设 A 班的某男生想穿越去 B 班，那他肯定依依不舍他在 A 班的女朋友，因为 B 班那边一个人都不认识。好吧，那么干脆让该男生带着他女朋友一起转学去 B 班吧。等他们手牵手过去那边教室一看，咦？怎么 B 班的成双成对的同学们在慢走啊？步调根本和他们自己不协调呢。于是，这对刚刚发现新大陆的同学就回去拉班里其他同学一块过来参观。两个步调不一致的班里同学碰到一起，难免要有点磕磕碰碰，于是就发生了物理世界所谓的“干涉”。这种超导库伯对的集体隧穿，称之为超导隧道效应。利用该效应制备出的一种高大上的仪器叫做“超导量子干涉仪”，这种干涉仪具有极高的灵敏度。由于干涉效应的存在，超导量子干涉仪里面电流会随着外磁场变化出现强度震荡。哪怕是穿过环间的一根磁通线发生了变化，通过干涉仪的电流强度就会出现响应。 超导量子隧道效应又被命名为“约瑟夫森效应”，是以其理论预言者英国物理学家约瑟夫森命名的。约瑟夫森发现超导电子对可以发生隧穿效应的时候，仅仅是一名 22 岁的在读研究生。在偶然听学术大牛安德森的报告之后，有了初步的设想，并随后在安德森指导下理论推导出了超导隧道效应的结果。郁闷的是，安德森本人的导师皮帕教授并不喜欢这个疯狂的想法，而当时超导界的顶级大牛巴丁教授同样极其抗拒约瑟夫森的研究结果，尽管巴丁本人因发明晶体管和建立常规超导理论而荣获两次诺贝尔物理学奖，他还是接受不了超导电子对儿也能隧穿的新奇思想。约瑟夫森没有迷信或屈服权威，而是坚持发表了论文。不久之后，超导隧道效应的实验获得了成功，“约瑟夫森效应”一词终于被人接受，约瑟夫森本人也于 1973 年获得诺贝尔物理学奖。关于微观世界电子们手牵手成对儿穿越的故事，传为佳话，从此开启了超导应用的新世界。 以超导约瑟夫森效应为原理制作的超导约瑟夫森隧道结是超导约瑟夫森器件的核心元件，它和基于 PN 结原理的传统半导体器件有着显著的不同，最特别的地方在于它本质上是一个非线性电感元件。前面提到的超导量子干涉仪，其核心元件就是一个中间 插 有两个约瑟夫森结的超导环。近年来，超导约瑟夫森器件家族里冉冉升起了一颗耀眼的新星——超导量子比特。打开你的电脑机箱，就会发现主板上的核心部件—— CPU ，其原理就是基于半导体元器件——经典比特。 信息技术领域的摩尔定律告诉我们，计算机每秒的运行次数随着年代在持续增长，但是总有一天会遇到尽头——因为经典比特里的电路宽度不能无限小，而是会触碰到量子极限。当集成电路单元越来越小的时候，量子效应的凸显会让所有经典的电路失效，最后电脑里只能越来越多个核，而不是一个核集成越来越多的电路，当然，这个临时的法子也会在未来十年里走到绝境。怎么办呢？最好的办法并不是逃避量子效应，而是主动利用起量子效应。其中，超导量子比特就是替代经典半导体比特的选择之一。 量子的世界十分神奇，正如粒子隧穿是概率事件一样，两个量子放在一起，它们的状态并不是一是一、二是二，而是互相叠加甚至纠缠在一起，体现出更加复杂的量子态，结果就是 1+1 远大于 2 。一个量子比特能携带的信息是常规电子计算机里面经典比特的两倍，如果有 N 个量子比特和 N 个经典比特 PK ，那么量子比特群体将能携带 2 的 N 次方倍的数据量。这是一个什么概念？仅仅需要 32 个量子比特就能存储 4GB 的信息量！显然，量子比特完胜！利用超导材料制作成的超导量子比特，还具有形式多种多样、宏观尺寸大、良好的设计加工自由度，易于集成化规模化等独特优势。这意味着，超导量子比特具有非常广阔的应用空间。更重要的是，由于处于超导态下电阻为零，超导量子器件时零能耗的，从此再也不用发愁 CPU 温度过高的问题了。 如果把超导量子比特组装成计算元件，就可以造出超导量子计算机。其计算性能也将是现在经典计算机的指数倍，比如说，普通计算机算一年的工作量，在超导量子计算机里也许只需要不到一秒的时间！做一部 IMAX 高清动画对于量子计算机来说也就是分分钟搞定的事儿，未来的美好简直不敢想象！ 不过先别兴奋太早，超导量子计算机技术还处在初步阶段，离真正的大规模商业推广还有一定的距离。目前的量子比特系统是十分脆弱的，任何调控和测量都会对其产生干扰，而某些小的扰动则可能会导致计算错误，甚至一击回到原始社会——彻底摧毁量子系统。尽管如此，科学家们也一直在为人类的梦想而努力！从 1969 年提出量子计算机的概念，一直到 2007 年，世界首台量子计算机“ Orion ”诞生于 加拿大D-Wave公司，这台计算机含有128个超导量子比特和2.4万个约瑟夫森结 。随后 2011 年 他们 推出了升级版本“ D-Wave One ”，具有 128 个量子位，运算速度提升了四倍，最新的产品已经达到了1000多个量子比特。不过也有不少科学家怀疑D-Wave不是严格意义上基于门操作的量子计算机，而是量子退火的模拟机。正是从怀疑和验证的出发点开始， IBM 正联合谷歌和 NASA 研制下一代具有 512 个量子比特的超导量子计算机。量子计算机的研究在中国也正处于加速进程中， 2015 年 7 月 30 日，“中国科学院—阿里巴巴量子计算实验室”正式在上海成立。新一轮关于超超级计算机的竞赛，已经如火如荼进行中了。你，会想加入其中吗？（全文完） 【 作者注 】 此文为中国科协移动端科普融合创作项目“科普中国” 征文投稿原文。经编辑修改后的文章发表在“科普中国-移动融合创作”，标题和链接如下： 量子世界的“偷渡、私奔和群架 http://www.kepu.net.cn/gb/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_lzsjdtdsbqj/201509/t20150917_15634.html
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[转载]逐鹿量子计算
uestc2014xiaoyu 2015-8-21 15:48
引自：http://weekly.caixin.com/2015-08-14/100839889_all.html#page2 能颠覆经典计算机的量子计算机，是全球科研的焦点。阿里巴巴斥资与国家队一起建立量子计算实验室，能否让中国加速跑？ 财新记者 于达维 计算机的出现，在50多年间深刻颠覆了人类的生活模式。那么，什么会颠覆如今的计算机？科学家给出的答案是： 量子计算机 。 　　量子计算机被全球各国科学家公认为最重要和尖端的科技之一，近年，各国科技部门以及多家大型科技企业都在这一科研领域投入巨资。在谷歌两年前建立量子计算机实验室之后，阿里巴巴集团也跟中国在量子计算机研究上的国家队走到了一起。 7月30日下午，阿里巴巴集团（下称阿里巴巴）旗下 阿里云 宣布联合中科院成立“中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室”。 根据阿里巴巴发布的新闻稿：实验室将结合阿里云在经典计算算法、架构和云计算方面的技术优势，以及中科院在量子计算和模拟、量子人工智能等方面的优势，颠覆摩尔定律，探索超越经典计算机的下一代超快计算技术。 　　阿里巴巴以资金和阿里云应用经验助力中国量子计算机研制，无疑会加快中国量子计算机面世的步伐。但这能否让中国在这一领域领先，并不确定，因为该领域的世界科研竞争太过激烈。 　　量子计算机是指遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的计算机。在科学界看来，在量子计算机强大计算能力的帮助下，人类可以提供更为精准的天气预报、让药物发现过程更高效、迅速计算出最佳路线、甚至发现更多的系外行星。 　　根据中国科学院-阿里巴巴量子计算实验室的研究计划：预计到2025年，量子模拟将达到当今世界最快的超级计算机的水平，初步应用于一些目前无法解决的重大科技难题；到2030年，研制具有50-100个量子比特的通用量子计算原型机。 　　按照中科院量子信息与量子科技前沿卓越创新中心主任潘建伟的说法，新一代量子计算机能够解决目前世界上最好的超级计算机都无法解决的问题，而速度将比世界上运行速度最快的中国“天河二号”超级计算机快百亿亿倍。 　　实际上早在五六年前，计算机业界就开始预测，经典计算机的摩尔定律很快就会因为芯片的晶体管精细程度达到分子级别而达到极限。目前的加工水平已经达到10纳米，极限已然接近。而量子计算机，是让计算能力得到倍增的必由之路。并且这一计算能力的飞跃，将远远超越从算盘到当代超级计算机的提升。 　　对于阿里巴巴来说，每年3000万元的投入并不算多，对于研发量子计算机来说也是杯水车薪，但这却是中国民营企业在前沿技术研发上的最大一笔投入。这件事情的示范意义在于，工业界与学术界割裂的鸿沟由此开始弥合。 　　当然，前方面临的困难并不简单。 15年计划 　　根据阿里和中科院这次的计划，阿里巴巴将每年投入3000万元，建设量子计算实验室，首期合作5年，计划合作年限为15年。实验室成立后，将面向国内外延揽掌握核心技术、处于创新能力高峰的拔尖人才，打造中国量子计算研究的“梦之队”。 　　阿里巴巴集团首席技术官王坚博士对财新记者说，通讯和计算的问题是互联网企业最关心的问题。从计算能力上说，传统的技术已经达到了一个瓶颈，而量子通讯技术对于通信安全性问题的解决，属于一种根本性的突破。 　　不断被挑战，但不断被验证的摩尔定律，终于即将走到尽头。在人类对于晶体管的加工水平已经达到十几纳米量级的时候，微观粒子的量子效应已经不可以忽略不计，这让已经奏效数十年的以经典物理为基础的计算机体系结构，也基本走到了极限。 　　但是希望总是在绝望之后出现。如果能够对于粒子的量子效应加以利用，其对于计算能力的提升将不只是百倍、千倍的级别，而是百亿、千亿倍的级别，在这种计算能力的帮助下，不仅许多因为计算能力而困扰人类的科学问题可以解决，对于广大公众和企业来说，在云计算时代作为一种服务而被提供的计算能力，可以说是“取之不尽，用之不竭”。 　　量子计算机与经典计算机最大的区别，就是它的每个数据用不同的粒子的量子状态表示，而且根据量子力学的原理，粒子的量子状态并不确定，而是不同量子状态的叠加。经典计算机存储数据的最小单位是比特，量子计算机存储数据的最小单位就是量子比特。 　　在目前的经典计算机中，每个比特只能有二种状态━━0或1，这构成了数字计算领域的信息存储基础。而在量子计算机中，由于量子叠加效应，一个量子比特可以同时拥有两种状态，这就意味着，N个量子比特可同时存储和处理2的N次方个数据。 　　从理论上说，只需要6个量子比特，就可以达到目前64位的经典计算机的计算能力。一个40比特的量子计算机，能在很短时间内解开当前先进的1024位电脑花上数十年解决的问题。50个量子比特的计算能力，把当今世界前500名的超级计算机全部加起来，功能都无法胜过它，250量子比特所包含的比特数超过宇宙内的原子数量。 　　潘建伟团队成员、中国科学技术大学教授陆朝阳告诉财新记者，现在他们的能力是做到8-10个量子比特，要在量子模拟上达到超越“天河二号”的水平，大约需要45个光子的量子系统，但这不是普适的量子计算机，而是针对特定问题的量子模拟机，而要达到超过现有超级计算机百亿亿倍的水平，大概需要100个量子比特。 　　但是，量子模拟和量子计算机对于量子比特操控的容错性要求大不一样，前者可以认为单一的物理比特就可以作为量子比特，但是后者出于纠错的目的，需要用多个物理量子比特去编码一个逻辑比特，也就是说，用45个光子量子比特可以完成量子模拟，但是真正到量子计算机的时候，所说的100个比特应该是逻辑比特，意味着几百个物理量子比特。 “苹果”还是“安卓” 　　IBM的科研人员最近在《自然通讯》上发表了使用超导材料制成的量子芯片原型电路。他们将超导材料制成的四个量子比特整合为一体，预计未来数年之内即可以构建出16位量子比特的量子计算机，未来五至十年之内将达到数百位的量子比特。 　　理论上，实验室中任何可控的、有稳定特征能态的量子系统都可以作为量子比特，比如离子、中性原子、光子等。但是一个个独立的量子比特做不了量子计算机。为了实现量子运算，用作量子比特的粒子必须处于缠结状态，也就是所有的粒子都必须具备相干性。而且这种状态必须保持尽量长的时间，也就是保持纠缠。这是实现量子计算面临的两个最大障碍。 　　目前实现量子计算机的两种主要研究途径，就是基于量子光学的量子计算和固态量子计算。 　　中科院量子信息重点实验室主任、中科院院士郭光灿说，固态量子计算机包括超导量子干涉或半导体材料量子点的操作，自旋、能级、磁通量、相位等都可以作为可操作的目标。而量子光学则主要是操作束缚在腔、离子阱中的原子或离子，操作原子、离子的能级。 　　“这两种方法各有优劣，前者容易扩充，但相干性不好，后者相干性好，但难以实现纠缠。”他说。 　　英国科技网站新科学家的顾问迈克尔•布鲁克斯（Michael Brooks）2014年曾撰写一篇名为《量子计算机购买指南》的文章，在这篇文章中，他把“自旋或超导”形容为量子计算世界的“苹果或安卓”。 　　中科院量子信息重点实验室研究员周正威告诉财新记者，大家普遍认为适宜做量子计算的系统应该具有可集成性，并且期望量子计算系统能够建立在现有工业基础之上，希望建造量子计算机的技术仅仅是产业的再升级，而不是在重新凭空建造一个全新的物理系统。 　　正是基于这样的考虑，所以当前半导体量子点系统和超导电子学系统受到了美国和日本的高度重视。半导体集成电路和超导集成电路，这两个系统已经有成熟的工业基础，如果能够在这样的系统中通过产业升级建成量子计算机，无疑是这个行业的福音。 　　当然，在他看来也不能完全绝对，不排除在这两个系统之外的具有可集成的系统中构建量子计算机的可能。 　　目前潘建伟团队在量子比特研究上主要是在光子纠缠领域有雄厚的积累，并在超冷原子做出了一些国际水平的量子模拟工作。2012年他们实现了对八光子纠缠态的操纵，并实现拓扑量子纠错；2013年，他们首次成功实现了求解线性方程组的实验；2015年，首次成功实现了量子机器学习算法。 　　接受财新记者采访的专家坦率地表示，多光子纠缠只是原理性验证，和做一台计算机是两个概念。因为做成真正的计算机，有非常多的非科学成分，例如实用性如何，造价如何。 　　中科院物理所研究员赵士平对财新记者说，美国最近有很多关键性的进展，把过去参数比较好的设计，弄到可以集成化的程度，这样就可以做一些事了。虽然和真正的量子计算机还是有些距离，但在量子器件的设计上，尤其是在超导的领域，已经有了比较统一的目标。 　　利用超导量子比特，实际上早在2007年2月，加拿大D-Wave系统公司就制造出了首个商业量子计算机，128位的D-Wave one，后来他们推出的D-Wave two，号称有512个量子比特，售价1000万美元，谷歌公司、洛克希德马丁公司，都是这种量子计算机的首批买主。 　　但是这台“号称”的量子计算机有些名不副实。去年加入谷歌量子计算机实验室的美国加州圣巴巴拉大学物理学教授约翰•马丁内斯（John Martinis）就曾经撰文指出，D-Wave的机器虽然具有量子计算的部分特征，但并没有真正提升计算机的运算速度。 　　郭光灿告诉财新记者，目前马丁内斯团队在固态量子芯片上做得最好，已经做到11个量子比特。“我们是采用半导体量子点的方法，也需要绝对零度左右的低温环境，国内也有很多人是做超导，现在是主流。” 　　今年7月17日的《自然通讯》，发表了中科院量子信息重点实验室在固态量子芯片研究上取得的进展，他们成功实现了半导体量子点体系的两个电荷量子比特的控制非逻辑门，逻辑门是计算机运算的基本单元，这一进展是进一步研制实用化半导体量子计算的基础。 　　王坚表示，对于不同的技术路线，我们没有太多的选择权，因为大家对于量子计算本身技术方向并不是很清楚，国际上能在前沿做的实验室也没有几家。 　　在他看来，对于量子计算这个项目，阿里巴巴最大的收获是有机会介入这个领域。共同参与这个过程，成为这个变革的推动因素。共同打造一种未来的技术，技术路线上也是开放的。 　　陆朝阳透露，联合实验室的技术路线将不局限于只做光子体系，而是选择了三个最有希望的体系，一个是光子体系，一个是超冷原子体系，一个是超导量子比特，这也相当于一个三步走的策略，第一步达到普通计算机水平，用光子的体系，20-30个量子比特，就可以达到。 　　在光子体系上，潘建伟的团队在国际上可以说是最领先的。“我们希望把这个优势继续保持下去，当我们能够操纵大约30个光子的时候，我们将能够做一些令人惊叹的事情。”陆朝阳说。 　　他们的第二步是在五至十年内实现利用超冷原子体系作量子模拟，用来解决物理化学、材料设计等方面目前没法算清楚的问题。第三步的目标是10-15年内，利用超导量子比特，制造大规模的通用量子计算机。 　　使用超导的方式，可以在芯片上集成，可以操纵的精度很高，达到99.99%，超越了容错量子计算理论上的阈值，在科学上说，已经完全满足了DiVincenzo量子计算五条黄金标准，相当于前面的道路上已经看见了绿灯。“这方面美国做得最好，我们会奋起直追。”陆朝阳说。 投入杯水车薪 　　早在两年前，一直视通信与计算技术为生命的阿里巴巴，对基于中国科技大学潘建伟团队技术实施量子通讯技术开发的安徽量子通讯有限公司（下称量通公司）产生了兴趣。但是几次沟通下来，他们改变了主意。 　　这种改变不是他们不想合作了，而是他们过去想过的合作方式并不适合这一领域。 　　“一开始的时候，是我们主动的，”王坚告诉财新记者，通过几次接触量通公司，我们感觉需要解决的问题还远远不到产业化的程度。“这不是一种现成的技术，已经在国外实现，我们实现本土化，而是到底怎么能够产业化，外国人也没搞清楚，但是这恰恰是我们可以领先的地方。” 　　“企业愿意做这样一个桥梁，一起来赢得量子计算的话语权。这也是少数几个，真正能够拿技术换市场的机会。”他说。 　　而对于中科院来说，阿里巴巴也恰恰能够提供一个验证量子通讯、量子计算技术的规模化实验平台。因为从互联网的发展历程就可以看出，技术的演进都是从小范围的应用到大规模地推广的过程。“现在我们就有这个条件。” 　　每年3000万元，看上去很多，实际上远远不够。伦敦大学计算机学教授彼得•本特利（Peter J Bentley）就曾经表示，相对于我们从真空管到晶体管再到硅芯片的进化速度，量子计算机的进展的确非常缓慢。这是一个非常难的物理问题，我们至今依然未能完全理解它。“谷歌可能需要花费数十亿美元以及数十年时间，才能让我们看到真正的量子计算机。” 　　为了让量子计算机抗环境干扰，只能让它在超低温环境中运行，不管是超导的方法，还是半导体量子点的方法，都工作在绝对零度（零下273.15摄氏度）附近。为构建这种环境，科学界就需要投入大量资金和精力，而这还不是量子计算机本身。 　　从阿里巴巴的角度，先实现参与，如果真有成功的迹象，继续增加投入也不无可能。 　　“3000万元确实不多。其实是太少了。”王坚表示，如果跟国家领导人说，是花几百亿元在横店重建圆明园，还是花几百亿元研究量子计算机，答案肯定是后者。但是大家都知道这不是钱的问题，信心是无价之宝，研究成果对阿里巴巴也是无价之宝。不知道15年以后是否肯定有回报，但阿里巴巴也不是做慈善的。 　　但是也必须承认，愿意在量子计算上花这么多钱的科技公司，愿意花这样的时间和精力，在中国也还没有第二家。 　　王坚表示，五年内应该可以看到初步的成果，后续的投入，还要看后续的发展。 与未来同行 　　实际上，对于潘建伟的团队来说，钱也不是主要问题，主要还是人的问题，如果需要走超导的技术路线，需要重新组建团队。毕竟光学系统集成化有很大的困难，而超导的方法、半导体量子点的方法，可以沿用原来半导体的平面工艺。 　　有知情人士对财新记者透露，潘建伟团队目前也在招募研究固态量子芯片的人才，其中目标之一就来自马丁内斯团队的中国博士后，争取他回国效力，分享他在超导芯片上的经验。 　　陆朝阳透露，每年来自阿里巴巴的投资，将主要用于人才队伍的建设。而在设备上、运行上主要还是国家的投入。因此知识产权还是属于国家的，阿里巴巴享有优先的购买权和投资权以及署名权，也可以培养自己的技术队伍。 　　在潘建伟看来，跟阿里巴巴的合作，将很好地解决“科技和科技成果转化两张皮”的问题。“很多前期基础研究成果出来之后，变成真正的成果之前还有一段技术研发的路需要走。” 　　能够跟企业合作，在中国的科学家看来也是乐见其成。周正威说，最大的好处，是让科研的成果变得有用，而不是停留在原理性验证上，要做出产品，这样科研的导向就不一样了，和工业界合作，必须是形成产品的东西，会导致工作的评价标准不同，从工业界获取的资源，包括管理模式都不一样。这样体制内的许多固有问题都不存在了。 　　“有利于推动实用性的研发，科学界的体制不可 能让你做这件事，也不可能五年不发文章，工业界 就肯定直奔目标去努力。”他说。中国量子计算技 术的研发必须跟工业界结合，才能加速这一领域的 发展，缩小跟先进国家的差距，否则会被越拉越远。 希望参与团队能够在企业的助力下做出实质性的突破。 　　去年加入谷歌的马丁内斯团队，就是最好的例子。而目前在量子计算机上发力的，也都是像微软、IBM这样的软硬件巨头企业。 　　退相干问题目前是马丁内斯及其团队着重解决的最大问题之一，作为“量子比特”的粒子处于量子状态的持续时间一秒都不到，而且与其他粒子发生碰撞后就不再处于量子状态。 　　根据他们2013年在《科学》上发表的论文，他的团队已经制造了一台5个量子比特的量子计算机。该机器利用超导材料和可备份量子比特信息的错误纠正系统来维持量子信息。而去年的消息是他们已经将其扩展到了9量子比特，并计划每年量子比特数翻一番。 　　微软的量子计算机计划已进行了十年，该公司正 在开发被称为拓扑量子比特（topological qubit）的新型量子比特，这并不是以粒子的某种物理状态，而是以粒子彼此移动经过的方式进行编码，虽然他们现在尚未制造出一个量子比特，但是这种方法也有其固有优点，就是抗环境干扰能力特别强。 　　中科院物理所研究员赵士平对财新记者说，目前在量子计算的理论上已经研究很透彻了，如果实验上能够达到一些阶段性的成果，尽量可以用起来。“10-15年肯定会有一些或大或小的应用。” 　　王坚说，量子计算到量子计算机之间，还有很大的距离，现在我们只是能够证明量子计算的原理是可行的，但是量子计算机长什么样子谁也不知道。如果因为我们的合作，能够让真正的量子计算机出来，都是无比大的贡献。 　　在他看来，普通计算机与量子计算机之间的差别，比煤油灯和电灯之间的区别要大得多，同样，研发后者遇到的挑战，也是前所未有的。 　　“做没做出来，都是正常的，做出来是我们运气比较好。既然我们愿意做一件15年的事情，那对于结果也是足够开放的。后续的投入，还要看后续的发展。”王坚表示。
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模拟计算机、数字计算机、光学以及量子计算机
热度 7 liwei999 2014-4-24 05:23
模拟计算机、数字计算机、光学以及量子计算机。 作者: mirror (*) 日期: 04/23/2014 08:43:15 为什么要学洋文？因为国人的知识体系不很完备。国人的读书人“不屑于”用汉语来表达学术的工作，或者说不愿意向 国人出示“底牌”。对比一下 模拟计算机 的洋文解说和 国语解说 ，就可以发现这个差距不是一星半点儿，而是相距甚远。 模拟计算机 的名称很唬人。电子学上一般叫做 演算放大器 。对加减运算、微分方程等比较拿手。当然也没有编程和演算速度的问题。 数学（字）处理不单是加减等演算，还有查找、排位等的事件处理的问题。计算机不仅是说“计算”，也是一类事物处理的机器。 IBM 就是这类机器的一大商家。这时就需要 数字计算机 了。如今最发达的就要属这类计算机了，其要命之处就是要有人编程序。 光学计算机 应该分类为一种专用型的模拟计算机，很擅长傅利叶变换一类的演算。 最近又有一类 量子计算机 悄然地发达了起来。镜某以为这也是一类专用的“模拟”计算机，利用微扰后系统波函数组合的安定、准安定的物理状态，来专门解决排列组合的问题。比如说进化遗传的问题，推销员路径的问题等，这类问题诺伊曼式计算机算起来很不得心应手。说他 悄然地发达 了的另一个理由是说这类计算机的一个用途是 破解密码 。当今的密码强度都是根据诺伊曼式计算机的计算时间来设计的。采用了别的类型的计算方法，也许破译密码就不再是难题了。破解密码的工作，当然不能声张，也不能雇佣很多的编码工，因此对产业发达的直接推动作用不大。   是人就会有秘密。这既是幸福的源泉，同时也是痛苦的根源。有秘密就有人想知道这些个秘密，破解这种秘密就会有商机。   ---------- 就“是”论事儿，就“事儿”论是，就“事儿”论“事儿”。
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[转载]世界著名计算机学家姚期智：下一代互联网是量子网络
热度 1 zhaoxc 2011-9-6 12:30
世界著名计算机学家姚期智发表致辞演讲。(TechWeb配图) 【TechWeb报道】9月1日消息，一年一度的百度世界大会今天在国家会议中心召开，百度邀请到了100多位政府领导和学术专家，5000多名互联网行业的开发者、合作伙伴、技术者、投资者和百度客户来共邀盛会。世界著名计算机学家、图灵奖唯一华人得主姚期智发表致辞。 互联网下一代是什么？有没有比互联网更精细、更深的网络。这个就是量子网络，量子计算机的概念。一个量子是一个比0和1要更复杂的一个观念。一个量子比特在两个空间里面的一个紧密联系。 以下是世界著名计算机学家、图灵奖唯一华人得主姚期智致辞： 委员长、李总裁，各位贵宾。今天非常荣幸能够有机会和大家见面。百度是一个伟大的公司，百度的年会是在中国最有影响力、最大的互联网会议。所以，我非常感谢李总裁邀请我来这里做报告。 我想，今天和大家谈一谈，关于科技研究和人才培养的问题。我想，大家都知道，科研和人才培育，是当前世界各国，尤其是中国非常着重的一件事情。因为人才和科技研究，是现代经济社会的动力和命脉。 那么，研究是什么？我想，我们以美国作为例子，因为美国是现在在科技的前沿最成功的国家。美国的科技之所以这样成功，人才培养非常成功，是因为研究非常的多面化。如果看一看，在美国的科学研究，很大一部分是来自学校，大学里面。也有很大一部分是在重要的大的科技公司当中。 那么，研究种类非常多，从最实用，马上可以到市场上开发，到非常具有前瞻性的、基础的研究。 所以，在这种系统之下，研究成果能够不断的被产出，不断的被转化，成为新的科技产品。同时，这一种科技也能够培养出完善的环境，针对人才培养。 我举个例子，我在美国工作三十几年，一直在好的一流大学里面，从事计算机、科研活动。我的朋友里面，看过很多做出非常优秀的产品，做出很大的事业。我只是随便讲几个例子。比如说RSA，是一个非常重要的密码公司，艾克码是非常重要的领先的Contrbution的公司。 我还记得我在1976年到斯坦福工作的时候，同一年去的还有一个计算机的教授，叫做John 汉纳森，他后来不但在学术上，工业上也很有成就，所做的RISC物件，后来影响到计算机的设计，有非常大的影响。那么，他现在还是斯坦福的校长。 在加州附近的公司也认识很多人，美国的全路（音译）公司，在斯坦福附近的一个研究中心叫PARK，里面有很多的我认识的人，后来都做出很多的贡献，阿道比（音译）等都是他们这些研究人员做的。所以，这是非常成功的、实用研究的例子。 那么前瞻性的研究是怎么一回事，我个人的兴趣，是做前瞻性的研究。我给大家讲一个我熟悉的领域。我对于计算机的安全，对于密码学里面，也做过一些工作。我记得二三十年前，那个时候还没有互联网，但是在那个时候，已经有一些有眼光的人，因为那个时候，PC、铸型（音译）的网络已经开使用了，那个时候，已经有人想象到，将来有一天会有很多的计算机连在一起，在网络上，就可以做非常多的事情。甚至能够做电子商业。假如要做到这件事情的话，非常重要的一点，就是要有安全和保密的研究，使得大家能够放心进行电子商业。 所以，那个时候有很多的计算机学家，包括我自己，那个时候，大家就开始想想看，在将来的计算机网络上，我们能够做什么样的事情。每一次的结果，我想各位如果不太熟悉的话，第一次听到，可能会觉得非常的不可能。 我举一个例子。比如说有两个非常有钱的实业家，两个人有一天到青岛旅游胜地渡假，两个人彼此谈一谈都觉得很有兴趣，他们想要知道，到底是你有钱，还是我有钱。但是大家都不想把数字讲出来。有没有一个方法，让这两个人能够尝试进行交谈。等交谈完了以后，这两个人能够知道说，到底你比我有钱，还是我比你有钱。但是除了这一点信息以外，其他的什么事情都不知道。 想要解决这个问题不可能，从没有这个知识到有知识，中间要给出信息，到最后不知道数字，但是会知道哪一个人会更富有。这是一个很容易了解的一个例子。但是后面有一些非常有意思的研究，基本上那个时候的研究结果，能够告诉你，要做任何一样的交流，都能够用保密的方式，不需要告诉别人，你的数据就可以完成。大家可以想到，如果在公司里面开一个董事会，大家要做一个很重要的决定，有没有一个方法，大家讨论的时候，但是每个人都希望自己的意见，不是说直接了当的讲出来。我想，这样的事情，在我们中国是更适合，因为我们都比较含蓄。最后能够把这件事情解决了，能够达到我们的目的。但是每个人都不需要将意见泄露给别人听，有没有一个方法，能够从事这样的董事会的开会。 那么，我们发现，在原则上，这件事情是可以做的。 讲到更接近实际的事情，比如说更接近百度的世界，如果说，我现在的计算机很小，但是我想建一个非常大的公司，有非常强力的计算机。能够替我把这个计算做完，但是我很担心，我的数据如果给这个大的计算机，就知道计算当中的数据，经济情况，各种事情。有没有一个办法，让大的计算机从事我想要做的计算，但是不需要告诉它，数据是什么样的。这也是大家觉得不太可能的事情。但是这件事情是可以做的。 那么，这些问题，基本上在二十年、三十年以前，最早研究这个工作的人员都已经做好了准备，原则上是可以做的。 那么这一种工作，即使在当时，就想到有一天可能是有实用价值。那么经过了二十多年以后，到了现在，真正有很多的公司，想要把想出来的方法，能够变得更实际，更有用。 比如云计算，是怎样能够将数据保持机密性，但是能够有很多的代理公司进行工作。所以，经过二三十年之后，理论上已经可以做了，现在有了实际，这就是前瞻性的工作，不是今年也不是明年，可能要很多年以后才能做。 那么，我现在再谈一下，我非常有兴趣做的一件事情，跟现在的百度，跟现在的实业一点关系都没有。但是我可以和大家讲，这件事情是说不定的。甚至可以说，我有很大的信心，经过二十年，三十年以后，在这方面的工作，对于世界，不管是学术上，还是商业上都有很大的影响。支持我这个论点，我可以和大家讲，有两个大的公司的研究部门会非常感兴趣，一个就是IBM，这种科技，在最早十几年以前就有非常有名的研究人员，做了很大的贡献。现在微软在美国加州成立部门，专门从事这个研究。 现在可以告诉大家，我们想要做的是什么，大家知道， 百度公司还有现在的科技，社会经济都跟互联网有不可分割的关系。那么互联网下一代是什么？有没有比互联网更精细、更深的网络。这个就是量子网络，量子计算机的概念。 所以，量子网络就是量子版的互联网。基本上就是要复制我们现在所有的互联网的结构，比如说现在互联网，基本上可以想到，是有很多的计算机，那么彼此之间是能够用网络进行互相通讯。所以在一个量子版网络里面，基本上就是需要有很多的量子计算机，将这些量子计算机，用网络连接起来，彼此之间可以传递量子信息。这就是量子互联网的一个观念。 什么叫量子？我想，基本上可以这样想，量子的观念，听起来比较奇怪，但是我们已经知道，物理学家告诉我们，已经超过100年，这个世界跟我们平常所体会到的是完全不一样的。这个世界不是一个牛顿告诉我们的世界。 基本上，可以这样想，我们现在在互联网领域、计算机里，所有的运算，都是用比特来表示，比特就是一个0或者是一个1。现在如果说，有一天发现了有一种物质，具有一种特别性，就是有一点像比特，但是这种物质比0和1具有更多别的性质。现在的问题是，有没有方法能够运用它，会不会比现在的计算机和网络更加快，更加有效。这个就是量子比特的观念。 所以，一个量子是一个比0和1要更复杂的一个观念。一个量子比特在两个空间里面的一个紧密联系。比如我们熟悉的光线，非常强烈，是因为有很多的光子照到我们的脸上，但是可以想到，如果把这个灯调暗，不断的调暗，一直到最小的时候，那么就是一个一个的光子跑出来。所以，光子就是一个量子比特的一个实例。光子有电场性质，代表这个电场是垂直的，可能也是平衡的。 量子比特跟我们现在的世界，到底有什么地方的不一样呢？我想，中国有一个古书叫淮南子，中间的一句话，可以将最基本的精神讲的非常清楚。就是杨子见歧路而哭之。有一个人走到一条路上，要不然向南，要不就是向北，不知道怎么决定，不知道哪个方向是对的，所以就坐在那里哭。我们一般古典当中告诉我们，不能同时做两件事情。那么，在量子世界当中，告诉我们一个好消息，实际上如果有非常精细，非常高级的一种仪器的话，可以探讨两条路同时走。这个就是量子世界有这个可能性，可以做一个同时的搜索。 当然，这件事情就表示说，假如说情况非常好的话，我们做互联网的搜索，怎么找到，在百度上，如果有一个量子的搜索引擎的话，那么我们搜索的时间可能比现在快很多，并行走很多路。 接下来就是怎么能够把这件事情变成现实。我想在这里，可以讲一下，基本上为什么量子的科技，研究这样的工作是非常重要的。 上个世纪，差不多七十年前，在这个世界上，物理学家发现原子里面，隐藏了非常多的能量，后来大家研究说，有没有办法将能量释放出来，进行利用。现在的核能发电，就是把这些能量从原子里面释放出来。 那么，在过去十几年里，物理学家和计算机学家联合研究的结果，发现说，在原子里面存在另外一种力量，这个力量不是能量。这种力量是一种惊人的计算力量。所以，做量子信息研究的人，基本的精神，有没有方法能够把这些能量、计算力量从原子里面释放出来。 那么，这些计算能量对于有些问题，有惊人的加速的效应。一个是在现在的普通计算机，要用一亿年，十亿年，二十亿年，才能解决的问题。在量子网络里面，只要几分钟就可以做好的。 所以，这就是为什么大家现在要研究量子的网络和量子计算机的缘故。那么量子网络不只是为了做更进一步的互联网，量子网络也是实现量子计算机的一个方式。 这种量子网络，可以有简单的方法，全部都是用光子。但是全光子的网络，是用光子来做这个网络，就有一个问题，很远的网络做不了，要真正做的话，就需要有更复杂的科技，就是把光子和物子结合起来，这个是大家现在觉得最有希望的科技。就是用离子井的方法，就是用离子做存储。这里有两个离子，彼此之间距离非常近，这个就可以拿来存储量子比特。 在清华，我们从今年一月起，我们正式的加入了在国际上竞争的做第一个量子计算机，第一个量子网络的团体。我们采取了现在最先进的一些技术。这些是我们现在在清华做量子计算机、量子网络的团队。成立世界上第一个交叉信息研究院，大家知道，现在的世界越来越多新的知识是由于各种不同的学科交叉而成的。刚刚提到的量子科技，就是计算机要和物理学家需要交流。比如说在百度的关心的领域，再一个网络的领域。 那么，现在变成一个非常大的科学，这牵扯到的科学，搜索来讲，网络社团来讲，所牵扯到的是计算机要和商业、社会学；同时，生物网络等，都有很多的学科要交叉。要有一个好的方法能够使学科交叉。但是，在美国，大家觉得是非常灵活的一个大学机制，但还没有一个交叉信息研究院，因为大家不愿意将交叉的信息放到别的单位当中去。 所以，我们在中国成立一个交叉信息学院，专门研究这个方面的工作。这是我们的量子实验室。我们希望将来能够做出世界上第一台量子计算机跟量子网络。我们和百度一起联合做一个量子互联网，然后做搜索引擎。 这是我们很有能力的一个学生，是从新加坡来的参观团。我讲这么多，谢谢大家！ http://www.techweb.com.cn/people/2011-09-02/1088896.shtml 科学家将芯片植入昆虫大脑 将其变机器人 摘要：今日，美国开始另辟蹊径，以另一种方式研究机器人。美国DARPA国防高级研究计划局在Michigan 大学开设了一个研究小组，他们正在试图给昆虫洗脑，并通过芯片的植入让昆虫便成一个可控制的机器人。 标签：芯片 机器人 思科创新解决方案，优化网络视频传 【CNW.com.cn资讯】近些年来科学界对机器人研究的风挂的愈演愈烈，机器人也与正常人类越来越靠近，然而高昂的研究经费使得机器人的生产普及也仅仅停留在纸上谈兵的境地。今日，美国开始另辟蹊径，以另一种方式研究机器人。美国DARPA国防高级研究计划局在Michigan 大学开设了一个研究小组，他们正在试图给昆虫洗脑，并通过芯片的植入让昆虫便成一个可控制的机器人。 这个研究小组觉得这种方法比开发一个迷你机器人或许更方便，成本更低。而且存在理论上的可行性。插入昆虫里的芯片的供电问题是一个比较棘手的问题，然而多数昆虫有一队煽动的翅膀正好给研究行了个方便。 研究者们首先在昆虫身上安装压电发电装置，可利用昆虫翅膀的扇动而发电。这里才生的电能恰好可变为控制这些昆虫大脑芯片的电力，从而达到给昆虫洗脑的目的。“昆虫翅膀的煽动频率有些快的惊人，利用它来发电时一个新的设想，如果能对这些资源加以利用，收益将会非常大。”研究者说。 原文地址： http://www.cnw.com.cn/news-international/htm2011/20110905_233230.shtml
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名著《纠缠的世界：量子信息与量子计算机的魅力》
热度 2 warlong 2011-8-15 13:22
名著《纠缠的世界：量子信息与量子计算机的魅力》
Entangled World： The Fascination of Quantum Information and Computation Jürgen Audretsch (Editor) 纠缠的世界： 量子信息与量子计算机的魅力 编者： 尤尔根 * 奥璀兹 英译： 鲁道夫*欧利希 汉译：郑 中 （封面设计：译者） 评 论 “每章的作者都是相应领域的专家，他们对思想给出权威的解释。” --- 《当代》杂志， 2010 年 1 月 “这本专家论文选，广泛涉及有关量子主题，谋篇布局得当…推荐！” --- 《选粹》杂志， 2006 年 6 月 简 介 在量子世界中，粒子可表现为波动行为，因此看似同时处于两个位置。这当然与我们关于经典粒子的日常经验相抵触。那么对此如何理解呢？在经典世界与量子力学的过渡领域中发生了什么呢？现在，本书以一种容易理解的方式，回答了这些令人兴奋的问题，并指出这两大世界之间的联系，它对我们不久未来的日常生活将产生具体的实际影响，如提高和改变传统的信息处理方式。通过量子密码术的帮助，就可传达窃听证据。采用量子计算机，我们将可在很短时间内解决高度复杂的问题。 前 言 1 观察量子世界 I ：基本现象与概念 1.1 引言 1.2 单缝衍射 1.3 原子光学 1.4 量子领域 1.5 量子测量 1.6 一种关于量子领域的理论 1.7 量子芝诺效应：如何停止动力学演化 1.8 光子：光线的量子 客体 1.9 黑暗里可看见吗？无交互作用的量子测量 1.10 何为真实？量子论的交互作用 参考文献 2 观察量子世界 II ：纠缠作用及其意义 2.1 引言 2.2 复合系统与量子纠缠态 2.3 选择路径信息：纠缠破坏干涉能力 2.4 隐变量：就是经典物理吗？ 2.5 贝尔不等式：经典物理的极限 2.6 窃听者被查觉：量子密码 2.7 绵羊可克隆，光子不能 2.8 部分与整体 参考文献 3 波尔 - 爱因斯坦争论与量子力学的基本问题 3.1 爱因斯坦反驳：量子力学并非一种完备描述（ 1927 ） 3.2 爱因斯坦试图避免测不准关系与波尔的辩论（ 1927–1930 ） 3.3 EPR 论据作为量子力学不完备性的直接证据 3.4 非局域性，纠缠作用与背景独立性 参考文献 4 量子世界之旅 4.1 迈入量子世界的第一步 4.2 量子论的历史 4.3 致冷技术与原子激光 4.4 相干与纠缠 4.5 量子世界中的新贵：量子计算机 4.6 关于量子硬件的方法 4.7 基本问题与展望 5 纠缠的量子系统：从波粒二象性到单光子光源 5.1 波粒二象性 5.2 量子界面 5.3 单光子光源 章末备注 参考文献 6 量子信息 6.1 通向量子信息科学之路 6.2 量子信息科学基础 6.3 实验实现与进展 6.4 总结 参考文献 7 量子计算机 --- 新一代超级计算机？ 7.1 引言 7.2 量子信息 7.3 叠加与纠缠 7.4 量子计算机与复杂性 7.5 肖尔算法 7.6 还原为找周期的问题 7.7 实现与展望 7.8 文献 参考文献 8 退相干性与量子物理向经典物理的转变 8.1 经典物理与量子物理 8.2 关于经典极限的神话故事 8.3 测量过程的量子论 8.4 例子 8.5 一切源于此？ 参考文献 9 量子信息过程：梦想与实现 9.1 计 算--- 一种物理过程 9.2 量子计算机如何工作？ 9.3 何种技术适合于量子处理器？ 9.4 采用离子阱的量子计算机 9.5 单离子的量子信息处理 9.6 希拉克 - 左乐尔CNOT门操作 9.7 纠缠 --- 离子的贝尔态 9.8 调试量子处理器 9.9 以 3 个量子位进行处理： GHZ 态和 W 态 9.10 传送量子信息 --- 隐形传态 9.11 面向更大的机器 --- 放大离子阱量子计算机 9.12 未来 参考文献 10 量子论：对哲学的挑战！ 10.1 对自然哲学家的挑战 10.2 认识论透视 10.3 哲学的机遇 10.4 科学实在论与日常实在论 参考文献 索引 前 言 量子论首先公开发表了一种基本思想，直到今天仍极其著名。在 1900 年 12 月 14 日 柏林，马克斯 * 普朗克在一篇关于黑体辐射的论文中，将一个神秘的概念“能量元”或“能量量子”引入物理学中。在这篇论文中，他假设能量 E 与光的频率 ν 成正比，这由一个新的普适常数联系起来，所谓的“普朗克常数”（ Planck’s constant ；在德语中叫“ Wirkungsquantum ”，意思是“作用量子”（ action quantum ））。这意味着 h ： 然后阿尔伯特 * 爱因斯坦在 1905 年的狭义相对论中创立了质能方程： 这两者被视为二十世纪物理学的标志，二者之间的联系已建立。之后， E = mc 2 作为一种符号被作成广告和彩色明信片，而普朗克方程从没有如此流行。这本来是令人惊讶的，因为量子论可能比狭义相对论，对我们关于物理实在的本质的观念提出了一种更深远的挑战。实际上，量子物理观念和概念，就在该过程中发展起来的，与日常物理少有相似性，非经典的滑雪者图说明了这两个方程的流行程度差异的原因。 哪条路？非经典滑雪者。 （绘画者： A.-M.Herckes ） 无疑普遍认为是在 1900 年是量子论诞生之年，然而是在 1925 至 1927 年间， W. 海森堡、 E. 薛定谔、 P. A. M. 狄拉克、 W. 泡利和 J. 纽曼成功地明确叙述，并以一种有说服力的方式阐释了该理论。 在四分之三个世纪之后今天，量子物理学自身通过技术，已立足于我们的日常生活中，但不当作普通物理接受。其原因在于，我们很少意识到我们包围在量子物理应用技术中多大的范围内，因为事实上我们锁闭了“黑箱”中的量子物理，无需知道内部如何运行，我们就可操作和处理。我们能计数灯座中的荧光管，并按下光按钮，让电流从原子能发电站流出。荧光管内或原子能发电站内将发生什么了？我们（在绝大多数情况下）不知道。由于我们的作用，我们停留于日常的经典物理的范围内。这里，我们非常熟悉现象，我们认为我们理解它。量子物理 --- 现代技术的基础，从激光到微晶片 --- 但它大部分仍保持一种未知状态，奇异现象和显然佯谬的事件，不时得到报道。而对量子世界的有趣现象和惊奇的理论观念，不难获得一些洞察。本书目标在于对此给出某些启发。 但是，量子物理发源于好久以前，仍未得到详细地调查、探讨和全面阐释？该问题留给我们一个著名的物理史轶闻。当年轻的马克斯 * 普朗克问来自慕尼黑的物理学家冯 * 约利（ von Jolly ）“研究物理是否有意义”时，他再次告诫：物理学中的基本问题已被探究了，至多修补四处的缝隙。我们已知道马克斯 * 普朗克并未搭理这种劝告。同样，在量子物理视野中，那种长期占统治地位的想法 --- 基本原理已完全阐明，物理学研究前缘将长期在别的领域 --- 是错误的。最主要因为可理解如何隔离并控制单个量子客体，如原子、离子、分子甚至光子，关于量子论的古老的想象实验在实验上已变得可行，并已导致全新的洞察。古老的基本问题仍长期保持着 --- 比如关于测量过程物理 --- 终于获得实验研究和技术开发，所产生的深远影响，难以预料。 现在 有一个气氛活跃而欢快的大气圈科学系，几乎每个星期进行关于量子物理主题的报道，如下科学主题充斥大量日报上：量子计算机，量子信息过程，量子通信，量子密码，量子猫等等。这些“量子文章”在自然哲学论文中采用通俗描述，其中一种论点可叙述为“量子物理向我们指出：不管如何，一切彼此联系，因此 … ”。所有这些报道一般有一个关键的量子物理概念作为思考中心：纠缠。量子物理已变成一种“纠缠的世界”。本书打算洞察这种世界。其篇幅根据 2000 至 2001年 冬季学期在康斯坦茨大学 所作的关于“有交互关系的量子系统的物理学与哲学”的演讲。 类似前面章节 ，本书中报道的作者已积极参与其中的研究。量子物理计算机领域的最新结果，也向技术应用方式提出挑战，特别是在最近十年。除此之外，影响到关于实在的中心哲学问题。介于某些主题之间的那些专题已被主动接受，为了更好理解，增加了相应的参考文献。 不乏采用明晰的定义和术语，也需把问题和结果适当地公式化，以便理解量子世界。这并不意味着读者在阅读本书之前，就应学习了物理学。令人惊讶地，一个关于量子论基本结构的良好思想，仅需一点预备数学知识就可理解了。当试图理解那些争论前缘，仍需要基本概念，如矢量和标量积；否则，继续思考将纠缠于无谓的矛盾和虚假问题中。量子论的思想和概念对我们是不熟悉的，因为量子论不可描述，而且不能解释为与我们直接相关的日常物理现象，而经典物理可做到。量子论迫使我们放弃通常的思考方式。也因此，它对于我们具有巨大的吸引力。 纠缠的许多特征的主题，现在逐渐进入中学二年级快班课程和大学初级课程中。对此，本书可能是有用的。本书是为研究者、自然科学家、工程师、哲学家而准备的，尤其是为学生和教师以及感兴趣的“外行”。除此之外，通过激发对量子纠缠世界的实在性的反思，有益于在物理学与哲学之间进行学科对话。 2001年秋 于 康斯坦茨 尤尔根 * 奥璀兹 本书的英文编辑者专门增加了第九章。 Audretsch 和 Mainzer(1990/1996) 。 《纠缠的世界》章节预览： http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=289142do=blogid=492677
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7月快递：感知量子科学
热度 1 罗岚 2011-7-23 17:16
一、世界首款商业化量子计算机问世，加拿大量子计算公司 D- Wave （公司网址） http://www.dwavesys.com/en/company.html 近日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”，量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。D-Wave 公司的口号就是——“Yes, you can have one.”。被总部位于 马里兰 的环球安全公司 Lockheed Martin 以1千万$收购；马里兰是体现美国对量子科学领导意愿和实现理论的地点，量子科学起初公开的里程碑和工作组会议都在这里召开；加拿大也想做量子领导，这要看对付70亿人口是否有足够提供优质服务的耐心，美国在这方面是长项。 http://pda.physorg.com/news/2011-06-d-wave-commercial-quantum.html http://news.ccw.com.cn/tech/htm2011/20110527_930522.shtml 二、挪威首都奥斯陆发生爆炸枪击事件： http://www.huanqiu.com/zhuanti/world/2011norway/ 挪威科技大学 LARS LYDERSEN 博士2011、6、21的论文 “Practical security of quantum cryptography” 附录里两篇“自然”期刊文章笑傲博士论文圈，应该加入 IACR 的博士数据库；博士论文的两篇攻击和避免攻击商业量子系统的 NATURE 文章暂且不谈（一用裁剪光亮度去黑商用量子密码系统，一是避免量子密钥分发的盲攻击，都还没读），第25页描述的量子传送的 4000 度高温，比太空舱穿越大气层的温度难题还棘手，做成个人商用确实水平非常高。 三、位于印度南部的帕德马纳巴史瓦米古庙发现数量惊人的黄金、钻石珠宝，初步估价上百亿美元。考古出来的历史总有些残缺遗憾，但是金银珠宝的光辉穿越时间的河流，很难磨灭 ： http://www.people.com.cn/h/2011/0716/c25408-1391983419.html 四、2011 年 7 月 科学网遭遇攻击，寻求帮助。网络上出现微词，如果科学网不具备足够的水平，习惯没有门槛的玩家早就占领这块“土壤”，进行各种投机了。开放网络一定注意道德底线（国内核心、行业核心不属于开放网络，只要敢 SHOW 敢还原一切，就出问题：不适应世俗社会的价值观、道德观），硬件软件都被殖民的现在，推崇科学的网络不仅伤不起也玩不起。 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=1930do=blogid=462372 五、美国东部时间7月21日5时58分（北京时间17时58分），“阿特兰蒂斯”号航天飞机在美国肯尼迪航天中心安全着陆。这次着陆为美国为期30年的航天飞机项目正式画上了句号。轿子、马车、自行车、汽车、火车、飞机，之后是什么？ http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/7/249917-1.shtm 六、哈勃望远镜发现冥王星第四颗卫星， http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2011/7/249841.shtm 以上是快递7：2011 量子专刊 ，现在大家使用的光技术体现在能源上，也许其他应用必须在量子领域，但是合理正确的展示出 量子理论 是非常有挑战的工作。 By NIABC elab
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[转载]世界上第一台商用量子计算机诞生了
qgj77 2011-6-6 03:21
（http://www.hpcwire.com/hpcwire/2011-05-26/d-wave_sells_first_quantum_computer.html） May 26, 2011 D-Wave Sells First Quantum Computer Michael Feldman, HPCwire Editor On Wednesday, D-Wave Systems made history by announcing the sale of the world's first commercial quantum computer. The buyer was Lockheed Martin Corporation, who will use the machine to help solve some of their "most challenging computation problems." Lockheed purchased the system, known as D-Wave One, as well as maintenance and associated professional services. Terms of the deal were not disclosed. D-Wave One uses a superconducting 128-qubit (quantum bit) chip, called Rainier, representing the first commercial implementation of a quantum processor. An early prototype, a 16-qubit system called Orion, was demonstrated in February 2007 . At the time, D-Wave was talking about future systems based on 512-qubit and 1024-qubit technology, but the 128-qubit Rainier turned out to be the company's first foray into the commercial market. According to D-Wave co-founder and CTO Geordie Rose, D-Wave One, the technology uses a method called "quantum annealing" to solve discrete optimization problems. While that may sound obscure, it applies to all sorts of artificial intelligence-type applications such as natural language processing, computer vision, bioinformatics, financial risk analysis, and other types of highly complex pattern matching. We asked Rose to describe the D-Wave system and the underlying technology in more detail. HPCwire: In a nutshell, can you describe the machine and its construction? Rose: The D-Wave One is built around a superconducting processor. The processor is shielded from noise using specialized filtering and shielding systems that ensure that the processor's environment is extremely quiet, and is cooled to almost absolute zero during operation. The entire system's footprint is approximately 100 square feet. While there is a substantial amount of exotic technology inside the D-Wave One, the system has been built to require very little specialized knowledge to operate. Users interact with the system via an API that allows the D-Wave One to be accessed remotely from a variety of programming environments, including Python, Java, C++, SQL and MATLAB. HPCwire: What is "quantum annealing?" Rose: Quantum annealing is a prescription for solving certain types of hard computing problems. In order to run quantum annealing algorithms, hardware that behaves quantum mechanically — such as the Rainier processor in the D-Wave One — is required. Quantum annealing is conceptually similar to simulated annealing and genetic algorithms, but is much more powerful. HPCwire: Can you prove that quantum computing is actually taking place? Rose: This was the question we set out to prove with the research published in the recent edition of Nature . The answer was a conclusive "yes." HPCwire: How much power is required to run the machine? Rose: The total wall-plug power consumed by a D-Wave One system is 15 kilowatts. This power requirement will not change as the processors become more powerful over time. HPCwire: How much does D-Wave One cost? Rose: Pricing for D-Wave One is consistent with large-scale, high-performance computing systems. HPCwire: What kinds of problems is it capable of solving? Have you demonstrated any specific algorithms? Rose: We have used the D-Wave One to run numerous applications. For example, we used the system to solve optimization problems arising from building software that could detect cars in images. This process outputs software that can be deployed anywhere — mobile phones, for example. The software the D-Wave One system wrote, with collaborators from Google and D-Wave, was among the best detectors of cars in images ever built. It is discussed at http://googleresearch.blogspot.com/2009/12/machine-learning-with-quantum.html . HPCwire: What's next? Rose: This is a very significant time in the history of D-Wave. We've sold the world's first commercial quantum computer to a large global security company, Lockheed Martin. That's a real milestone for us. We are excited to work with Lockheed and future customers to tackle complex problems traditional methods cannot resolve. Last week we were validated on the science side by Nature and this week, on the business side, by the sale of our quantum computer to this Fortune 500 company.
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量子计算时代到来了
gl6866 2010-9-19 23:41
来自英国布里斯特尔大学(Bristol University)、日本东北大学(Tohuku University)、以色列魏兹曼研究所(Weizmann Institute)和荷兰屯特大学(Twente University)的研究团队表示，他们已经制造出能够在普通温度和压力下（而不是其它方法要求的极端条件）工作的量子芯片，从而解决了一个重大障碍。据信一个国际研究团队已经研制成功一种利用光（而不是电）工作的新的光子芯片，从而为制造性能远超过当前设备的超快量子计算机铺平了道路。领导该项目的英国量子光子学中心(Centre for Quantum Photonics)主任杰里米奥布莱恩(Jeremy OBrien)表示，该领域的许多人此前认为，至少在25年内不会出现实用性的量子计算机。 奥布莱恩却说：现在我们可以满怀信心地表示，通过运用我们的新技术，5年内量子计算机就可以进行超出传统电脑能力范围的运算，奥布莱恩在英国科学节(British Science Festival)上展示其研究成果时如是说。上周五发表在《科学》(Science)杂志上的这个重大突破意味着，可以根据量子物理的反直觉规则处理数据。量子物理的反直觉规则指的是单个亚原子粒子可以同时出现在多个地方。例如，未来的量子计算机几乎在瞬间就能从最大的数据库中找出重要信息。随着全球存储的电子数据呈指数级增长，该技术将让人们更轻易地精确搜寻自己想要的信息。 这种计算机将首先运用于研究和设计用普通电脑无法模拟的复杂分子，比如新药和其它材料。随后就应该能运用于更普通的消费产品上。这种性能将使得量子计算机处理信息的数量和速度远超过传统的超级电脑。但是在量子计算变得实际可行之前，必须克服其他巨大的技术障碍。
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