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世界首台可编程量子计算机诞生 仅由5个原子组成

量子科学带来无限可能

从量子到科学极限 物质精神归于统一

量子理论为人们提供了无限可能的空间。(fotolia)

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【大纪元2016年08月10日讯】(大纪元记者张秉开编译报导)量子计算机不只存在于科幻小说中,而是越来越接近现实世界。而量子理论的应用则远超计算领域。通过量子理论,人们还将有机会在微观和宏观世界之间架设桥梁,用科学来证实中国传统文化中的“天人合一”理念。

激光操作实现外部编程

美国科学家构建出第一台可编程的量子计算机。它仅由5个原子组成。而这被视为迈向制造出实用价值量子计算机的重大一步。

人的大脑被视为最精密的量子计算机,但量子理论仍不足以解释思维的产生。(fotolia)
人的大脑被视为最精密的量子计算机,但量子理论仍不足以解释思维的产生。(fotolia)

据《自然》期刊8月4日报导,美国马里兰大学研究员沙塔木.德布纳特等人展示了一个可编程的微型量子电脑,用储存在5个离子阱中可通过激光控制量子态的5个离子充当量子单元进行计算。原则上,这种结构可扩展至更多量子单元。

笃信宗教的爱因斯坦曾说:“我们现在所看到的只是一个尚未完全理解的真正实体的局部。”(公共领域)
笃信宗教的爱因斯坦曾说:“我们现在所看到的只是一个尚未完全理解的真正实体的局部。”(公共领域)

以前其他组织制作的小型量子计算装置只能解决单个问题,而且需要复杂的物理学编程步骤。这台量子计算机则一次可完成3项运算。科学家称之为“模块 (module)”,使用不同波长的激光来开合量子单元的逻辑门,从而可以从外部改变算法,即所谓的“可编程”。而基本运算的精确率约达98%。德布纳特 说:“目前没有其他量子计算装置具有这种灵活的特点。”

研究者还在尝试增加量子计算单元至100个,希望其操作功能像智能手机那样简单,无需复杂的量子编程。研究主持者克里斯托弗.蒙罗说:“对于任何计算机而言,使用者无需知道计算机内部的事情。几乎没人关心iPhone在执行功能时,机器内部的具体运行情况。”

量子计算或冲击云存储

量子力学描述的是在单个原子或次原子粒子尺度上,物质与能量行为和相互作用。量子现象包括量子叠加和量子纠缠。利用这些特性来处理信息,将量子现象和信息科学结合,能为诸多领域带来独特而令人期待的新机会,包括测向、计量、导航、通信、基础物理、模拟及计算等。

澳大利亚科技网站科学警示称,量子计算机的功能比传统计算机更强大。传统计算机的算法基础是0或1的状态,而量子计算机则是量子单元,不仅含有0或1,而且还有0和1共同存在的状态,所有单元可同时完成逻辑运算。因此,量子计算机的计算速度更快。简单的理解就是,普通计算机只能按时间顺序一个个解决问题,而量子计算机能同时解决多个问题。

数据量越大,量子算法在时间复杂度上的优势就越明显。而量子算法对云存储行业则多少会有些打击。目前各个有能力的政府都在静悄悄研究量子计算,以便即时破解重要的加密文件。只要这个技术成熟,任何存储在第3方的云数据都变得不安全。哪怕是加密存储,也可在转眼间被破解。

量子理论应用范围广泛

除量子计算外,量子理论在通讯领域也具有颠覆意义。由于一个量子单元的行为能瞬间影响另一个量子单位,这样的特性意味着不可能实现对一个未知量子单元的精确复制。因为一旦信息被挟持,量子会自动发生变化。这使通讯的接收者因此能察觉,而偷窥者也看不到原貌。将这样的通讯技术运用于军事、金融领域,将对信息安全提供更好的保障。

量子信息科学还推动测向和计量学发展。用于惯性导航的原子干涉计也可作为比重计使用,包括对地球系统检测或确定地下矿藏的位 置。利用金刚石点缺陷的磁强计既可在人体周围使用,也能在工业或军事所需的极端环境中运行。量子模拟器使用易控的量子系统来调查其他难以直接研究的属性, 如复合材料的计算等问题往往受限于传统高性能计算机的固有能力。

意识之谜

清华大学副校长施一公院士今年初在“未来论坛”年会上发表演讲,涉及有关生命本质的思考、神经活动中的量子机制、量子相干保持时间的技术进化、第六感、人类的认知极限,以及宏观、微观和超微观世界的关系等跨界和前卫科学问题,给科学界带来阵阵涟漪。

生命神经活动背后的量子机制被称为“量子脑”理论。广义相对论领域与霍金齐名的罗杰.彭罗斯1989年在《皇帝的新脑》一书中提出,已知的物理学定律不足以解释“意识”现象,他认为未来正确的量子引力学说应在经典与量子力学之间架起一座桥梁。大脑可能利用量子测量时波函数塌缩特性,而单纯由算法驱动的电脑不足以实现与人脑媲美的智能。

彭罗斯坚信大脑最深层的奥秘是非计算的。他认为生命与大脑可能超过现有量子力学能告诉人们的极限,“当代物理学家永远不会了解宇宙的终极理论,除非能透过那些不成熟理论的表象看到客观世界最深层的真实存在”。

彭罗斯说:“有意识的大脑活动并不遵循经典物理,甚至不依照传统的量子力学活动。描述其活动方式的理论现在仍不为人知……我很肯定,解决量子力学谜题将会对许多科学产生巨大影响……最终它很可能以各种我们想象不到的方式导致完全不同的理论,带来新思维革命。”

加州大学圣塔芭芭拉分校凝聚态物理学家马修.费舍尔2015年从理论上论证了基于磷原子核自旋的量子神经机制的可能性,并提出一套完整的神经量子信息体系及 可行的多种实验验证途径。如果他的理论推算在不久的将来能被体外溶液中的同位素实验所证实,人类将再次见识自然与生命的鬼斧神工。

盲人摸象

在人类实验技术进入飞秒与纳米的时空尺度后,量子机制在重要生命过程中必然起到关键且不可替代的作用,并已有确定无疑的实例。施一公认为,量子生物学的进展表明,自然再次超乎人类理解,提示人类应放下自负与傲慢,回归对自然与生命的敬仰,以敬畏和谦卑的心态去面对自然、探索生命奥秘,“我们是一堆原子……但我们希望隔着两个世界去看超微观世界,那是一个最美好、极其美妙的世界”。

施一公针对现代科学的物质化经验基础说:“科学发展到今天,我们看世界完全像盲人摸象一样……其实我们已知的物质质量在宇宙中只占4%,其余96%的物质存在形式是我们根本不知道的。我们叫它暗物质和暗能量。”而量子脑理论等众多边缘科学,似乎预示科学已日益临近精神与物质的交界,涉及科学探索方法的极限问题。

中国已故数学教授牛实为先生曾说:“探索真理应该是两条道路互补:一条是器证与推理,另一条是悟证与直觉……六祖慧能明心见性,说明了自性寂光开显,这是无住生心的自然成就;爱因斯坦抓住物质辐射之光,通过奇妙的构思与时空联系建立相对论,揭开宇宙、原子的奥秘。这两种光能截然不同,但可能是一纸之隔。一隐一显都是人类的灯塔,互补而相通。”

生命是最典型的非平衡态系统。非平衡态统计物理与耗散结构理论奠基人、1977年诺贝尔化学奖得主伊利亚.普里高津在《从存在到变化》一书中写道:“对于目前大多 数的科学发现者而言,科学可以说是一种意图,希望超出我们这个看得见的世界,进入一个无时间的世界。或许存在一个更微观的实体……那是一个开放的世界,人与自然要进行新的对话。”

量子计算机发展简史

1969年:史蒂芬.威斯纳提出基于量子力学的计算设备。
1981年5月:美国物理学家理查德.费曼在MIT会议发言,结合物理学和计算机理论。
1994年:贝尔实验室专家彼得.秀尔证明量子计算机速度远胜传统电脑。
2011年5月11日:加拿大D-Wave系统公司发布含128个量子位的全球首款商用型量子计算装置D-Wave One。
2013年5月:谷歌和NASA在加州量子人工智能实验室发布D-Wave Two。
2013年6月:中科大团队发现世界上稳定度最高的量子记忆体。
2015年5月:IBM开发出4量子位原型电路,并研发出同时发现2项量子错误型态的技术。
2015年10月:新南威尔士大学首度使用硅制作出量子闸。
2016年8月:马里兰大学发明世界首台由5量子位元组成的可编程量子电脑。

对量子计算普遍误区

1、能同时储存0和1
量子单元能写入无限信息,但只能读取0或者1。

2、可做传统电脑无法做的事
对无法在有限时间内计算的问题,量子计算机也无法解决。

3、更快
目前量子计算机的运算仍取决于算法。

4、已面世
目前推出的产品不是通用机,研制则处于最初级的开关电路阶段。

5、是不确定系统
量子计算机的计算结果是随机的,但计算过程中整个量子系统任何时间的状态都是确定的。◇

责任编辑:朱涵儒

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2016-08-10 9:13 PM
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