量子计算

量子计算 (quantum computation) 的概念最早由IBM的科学家R. Landauer及C. Bennett于70年代提出。他们主要探讨的是计算过程中诸如自由能(free energy)、信息(informations)与可逆性(reversibility)之间的关系。80年代初期,阿岗国家实验室的P. Benioff首先提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算;稍后费因曼也对这个问题产生兴趣而着手研究,并在1981年于麻省理工学院举行的First Conference on Physics of Computation中给了一场演讲,勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985年,牛津大学的D. Deutsch提出量子图林机(quantum Turing machine)的概念,量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质,还停留在相当抽象的层次,尚未进一步跨入发展算法的阶段。

 
  1994年,贝尔实验室的应用数学家P. Shor指出,相对于传统电子计算器,利用量子计算可以在更短的时间内将一个很大的整数分解成质因子的乘积。这个结论开启量子计算的一个新阶段:有别于传统计算法则的量子算法(quantum algorithm)确实有其实用性,绝非科学家口袋中的戏法。自此之后,新的量子算法陆续的被提出来,而物理学家接下来所面临的重要的课题之一,就是如何去建造一部真正的量子计算器,来执行这些量子算法。许多量子系统都曾被点名做为量子计算器的基础架构,例如光子的偏振(photon polarization)、空腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics, CQED)、离子阱(ion trap)以及核磁共振(nuclear magnetic resonance, NMR)等等。以目前的技术来看,这其中以离子阱与核磁共振最具可行性。事实上,核磁共振已经在这场竞赛中先驰得点:以I. Chuang为首的IBM研究团队在2002年的春天,成功地在一个人工合成的分子中(内含7个量子位)利用NMR完成N =15的因子分解(factorization)
 

量子计算:摩尔定律终结者

  科学家们预言,经典的摩尔定律必将走向极限,承接它的将是量子计算;但也有人说,量子计算只是一种方法论,根本实现不了。众说纷纭下的量子信息究竟有何威力?它能不能超越经典的摩尔定律?

  量子密码和量子计算是量子

  信息学领域的两个焦点研究方向。在这两个方向上,近年来中国的科学工作者都取得了重大的进展。

  2004年,中国建立了一条从北京到天津长125公里的试验性光纤量子通信密码线路; 2007年,中国科学院院士郭光灿带领的研究团队在北京成功试验了“量子路由器”,并获得了美国授权专利; 2009年,世界首个“量子政务网”在安徽芜湖建成。

  在量子密码领域取得了巨大成就后,郭院士带领的团队又将大部分精力放在了量子计算机的研究上。那么,在量子领域的探索,我国究竟处于什么水平?量子究竟能给世界带来怎样的变化?带着这些疑问,本报记者采访了国内量子信息领域研究第一人、中国科学院院士郭光灿。  

量子计算:摩尔定律终结者

  世界首个“量子政务网”在安徽芜湖建成。

  量子密码跻身世界前沿

  “目前,在量子密码通信领域,我国的研究水平已经跻身世界前沿,并在某些方面具有不可比拟的优势。”郭光灿自豪地表示。

  但是回到10年前,国内还没有几个人认同郭光灿的研究。“在早期的15年里,几乎没有经费支持我们,每年也就是一两万元,当时就是我带着几个学生做基础研究。直到1999年,中科院高技术局局长科研基金支持了5万元之后,我们才开始开展实验研究。”郭光灿坦言。

  量子密码究竟有何神秘之处,它如何吸引郭光灿呢?

  按照量子信息界的解释,经典信息处理的最基本单元是比特(Bit,即二进制数0或1)。一个按照一定数学规则给出的随机二进制数据串就构成一个密钥,经典通信中最难解决的问题是密钥分配问题。由于密钥分配不是绝对保密的,经典密码也就不可能绝对保密。然而,基于量子力学线性叠加原理和不可克隆定理的量子密钥分配却可以解决这个问题。

  一个具体的例子就是大数分解定理,按经典计算复杂性理论,这个问题不存在有效算法,所以被利用来进行经典密钥分配。“但是如果用量子计算机,使用‘Shor量子算法’,情况就大不相同了。例如,为了对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解,目前最快的超级计算机将耗时上百亿年,这几乎等于宇宙的整个寿命; 而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机只需要大约一分钟。因此,一旦人们拥有了一台量子计算机,那么目前的密码系统将毫无保密性可言。”

  这一后果是对目前的密码系统的巨大挑战。为了保证这些领域的信息安全,也为了拓宽人类对微观世界的认识,发展量子信息学刻不容缓。同时郭光灿还指出,他们选择从量子密码研究做起的另一个原因是,量子密码相对于量子计算要容易些,而且,当时在量子密码领域,国际上也有很多技术障碍需要攻克。

  据郭光灿介绍,将量子密码装置应用到光纤网络,会遇到了一个困难,就是不稳定。要调控单个量子—把0和1调到一个相位的量子态里—非常困难,各种因素都可能会破坏其稳定性,甚至使其“消失掉”。为此,郭光灿团队发明了一套新的解码器和编码器,保证单向光子的稳定性,同时保证安全。他们已为这项技术申请了美国专利,并获得了授权。这是实现量子密码的第一个关键技术。

  第二个关键的技术是网络保密。即在光纤网络里,任何两点都能够保密通信,而不仅仅是点对点的保密通信。单个光纤做到保密通信必须解决3个问题:光纤上实现任何两点之间的保密通信; 任何两个用户保密通信不会互相干扰; 群发系列,例如一个领导机关与多个下属同时多点保密通信。

  其中最根本的困难之一是路由器问题。在经典通信中一个信号传过来,路由器可以识别,之后传送。可是量子有一个特点—不可以被识别,一旦识别它,原来的信号就被破坏了。这种情况下,点对点的量子通信容易实现,而量子网络很难实现。为了解决这个问题,郭光灿团队发明了“量子路由器”—用波长做标志,使不同的光子到达不同的地方。这项技术也已获得了美国专利,并于2007年在北京商用光圈建立了城域网通信。

  有了两大技术的支撑后,今年5月份,郭光灿带领的量子信息重点实验室在安徽省芜湖市建立了世界上首个量子政务网。这个政务网可以传送政府的红头文件,通过保密的方式发送到下属各局,而且还可以对图像和声音加密,开视频会议。自此,量子密码正式步入应用阶段。

  量子计算研发路漫漫

  信息社会60年,计算机的进步就只是把10厘米长的真空电子管,用印刷在硅晶片上面的微米级半导体电极代替而已。

  那么未来的60年呢?在15纳米、8纳米之后,再往细微的方向走,经典物理会逐渐失效,因为主宰微观世界的是量子物理,届时经典的摩尔定律很可能就会被量子原理代替。

  目前,人类已经在量子密码上实现初步的商用化,但是量子计算机的研究仍然路漫漫。

  “因为量子计算机的实现需要量子算法、量子计算模型、量子纠错机制和硬件等各个方面的突破性进展。”郭光灿说,“尽管科学家在实验和理论上都取得了一些成果,但这些研究仍然处于非常早期的阶段。虽然我国在量子信息学科上起步稍晚,但是国家已经在中长期科技规划中设立了量子调控研究这一重大科学研究计划”。郭光灿预测,最终量子计算机将被用来解决现在计算机解决不了的问题。

  那么,与经典的计算机相比,量子计算机有哪些神奇之处呢?

  郭光灿指出,经典计算机和量子计算机最本质的差异,来自对物理系统状态的描述。对经典计算机来说,每个字节的数据都要一步步地处理,每一个步骤都表示机器的一个明确的状态,上一个步骤的输出作为下一个步骤的输入,前后相续,整个计算任务是串行的; 而对量子计算机来说,系统的不同状态之间的变换,可以并列存在多个途径,使得系统可以在多条路径上并行处理多个计算,这就使得计算机的计算能力获得了指数性的增强。

  量子计算机的理论效果确实震惊了世界,但是也有人提出,量子计算只是一个方法论,可能根本实现不了。但是AT&T贝尔实验室的计算机科学家皮特·休尔却有力地反驳了当时的负面观点。

  据说,皮特·休尔在1994年设计了第一个适合于量子计算机使用的算法,专门用来对大数进行因子分解。他发现,如果使用量子计算机,再运用他提出的专用算法,这个论断将不再成立。这意味着现代社会广泛使用的密码系统,将随着量子计算机的问世而作废。

  郭光灿表示,尽管还存在很多技术难题,但是他非常看好量子计算的未来。

  郭光灿指出,当前实现量子计算的瓶颈在于:如何研制含有数目巨大的量子处理器的物理体系,它既可有效地克服不可避免的相关影响,又具有物理可扩展性。这个研究实质上是对人类操控量子世界能力的极大挑战。目前两种主要研究途径是:固态量子计算和基于量子光学的量子计算。而他们实验室的研究方向是固态量子计算。

  “我们使用一种新的材料叫石墨烯,来代替原来经典计算机里面的硅材料。在国际上,还有其他三种主流的材料,我们的研究几乎与国际上同步。但我们走的是不一样的方向,一是避免重复研究,二是为了争取我们自己的话语权。”

  实际上,从上世纪80年代量子计算正式进入研究阶段,到今天取得重大进展,也就30年的时间。目前量子计算正在飞速发展,因此这个领域也吸引了越来越多的参与者,随着主要的障碍已经或正在被克服,我们似乎可以乐观地估计,下一个30年人类很可能会迎来量子计算时代。

  产业化使命

  量子信息技术是后摩尔时代的重要新技术,将来有望形成QIT(量子信息)新产业,因而也成为各国未来高技术的战略竞争焦点之一。据介绍,日本今后10年里预计在该课题上的投入将达400亿日元,而美国的情报机构也对此高度关注。

  郭光灿预测,量子信息领域中产生的量子密钥分配器、精确测量仪、量子模拟器等都是最接近应用的产品。

  在国内,郭光灿是研究量子信息的第一人,他以及他的团队也同样肩负着将科研成果产业化的使命。在量子密码领域取得了重大成就后,很快他们就进行了产业化投入。

  今年6月,在安徽省政府的大力支持下,芜湖市政府联合中国科学技术大学成立了一个高新技术研发企业—安徽问天量子科技股份有限公司。目前,公司在量子密钥通信系统上的各项技术已处于国际领先地位。

  据了解,利用量子保密通信系统在电源上的技术优势,问天科技研发出了新型WT-PFC-45系列LED路灯驱动电源。该产品的成功研发标志着中科院量子信息重点实验室在量子密码上的科研成果不仅可以在信息安全领域得到重大应用,也可以为其他行业做出重要贡献。  

量子计算:摩尔定律终结者
 

  从渔民之子到量子专家

  1942年,中国科学院院士郭光灿出生在福建惠安一个贫苦渔民家庭; 1960年考进中国科技大学无线电电子学系后,中科大的学术氛围深深感染了他。

  学无线电的郭光灿大学毕业后把研究领域转向气体激光研究,随后又转向量子光学的理论研究。20世纪90年代初,量子信息学刚刚起步,他又及时追踪国际前沿,以量子密码学和量子编码两个方向为切入点,领导课题组进军量子信息研究领域。

 

世界首台可编程通用量子计算机美国问世

北京时间11月16日消息,据美国《新科学家》网站报道,世界上首台可编程的通用量子计算机近日在美国面世。不过根据初步的测试程序显示,该计算机还存在部分难题需要进一步解决和改善。科学家们认为,可编程量子计算机距离实际应用已为期不远。

  早在一年前,美国国家标准技术研究院的科学家们已经研制出一台可处理2量子比特数据的量子计算机。由于量子比特比传统计算机中的“0”和“1”比特可以存储更多的信息,因此量子计算机的运行效率和功能也将大大突破传统计算机。据科学家介绍,这种量子计算机可用作各种大信息量数据的处理,如密码分析和密码破译等。

  在传统计算机中,采用的是二进制“0”和“1”比特物理逻辑门技术来处理信息,而在量子计算机中,采用的则是量子逻辑门技术来处理数据。对于这种技术,美国国家标准技术研究院科学家大卫-汉内克解释说,“比如,一个简单的单一量子比特门,可以从‘0’转换成‘1’,也可以从‘1’转换成为‘0’。”这种转换就使得计算机存储能力不仅仅是以倍数级增加。与传统计算机的物理逻辑门不同的是,美国国家标准技术研究院所研制的这台可编程量子计算机中的量子逻辑门均已编码成为一个激光脉冲。这台实验量子计算机使用铍离子来存储量子比特。当激光脉冲量子逻辑门对量子比特进行简单逻辑操作时,铍离子就开始旋转运行。制造一个量子逻辑门的方法首先要设计一系列激光脉冲来操纵铍离子进行数据处理,然后再利用另一个激光脉冲来读取计算结果。

  这台可编程量子计算机的核心部件是一个标有金黄图案的铝晶片,其中包含了一个直径大约200微米的微型电磁圈。在这个电磁圈中,科学家放置了四个离子,其中两个是镁离子,两个是铍离子。镁离子的作用是“稳定剂”,它可以消除离子链的意外振动,以保持计算机的稳定性。由于量子比特可能产生多种操作可能,因此科学家们在实验中随机选取了160可能操作进行了演示,来验证处理器的通用性。每次操作都用31个不同的量子逻辑门去将2个量子比特编码至一个激光脉冲中。

  科学家们将这160种程序每一种都运行了900次。通过对测试数据对比和理论预测,科学家们发现,这个芯片基本可以按既定程序工作。不过,科学家们也承认,它的准确率目前只有79%。汉内克表示,“每个量子逻辑门的准确率均为90%以上,但是当所有量子逻辑门都综合起来使用,整体准确率却下降到79%。”对此,科学家认为,造成这种误差主要是因为每次激光脉冲的强度不同所造成的。汉内克解释说,“由于这些脉冲不是直线的,它们是波动的,因此就会引起这种误差。此外,光线的散射和反射等原因,也会造成这种误差的产生。”

  科学家们相信,随着更多的测试和改进,这种误差将会越来越小。通过改进激光的稳定性和减少光学硬件设备的误差,可以提高芯片运行的准确率。直到芯片的准确率提升到99.99%,它才可以作为量子计算机的主要部件使用,这台可编程量子计算机才可真正地投入实际应用。

编辑/发表时间:2010-02-07 09:53
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雷士军