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一、量子计算技术
量子计算与传统计算的最大区别在于量子计算采用量子比特(qubit)作为最小的运算单元。传统计算机采用二进制比特,即“0”和“1”,而量子比特可同时存在两种可能的状态,这种新状态被称作“叠加态”。因此,对量子比特的操作可以让许多计算工作并行进行。
根据量子计算的原理,量子计算具备三个特点:
并行计算、速度快:目前计算机领域所谓的并行计算只是从效果上来看形成问题的并行解决,实际从CPU的运行来看,CPU依旧是一次只能处理一个计算。而量子计算将会是真正意义上的并行计算。对1000位的大数进行因数分解只需要几秒,而传统的计算机则需要1025年。
微型化、集成化:随着信息产业的高度发展,所有的电子器件都在朝着小型化和高集成化方向发展,而作为传统计算机物质基础的半导体芯片一直是这场运动的领先者,但由于晶体管和芯片受材料的限制,体积的减小存在极限,最终不能达到原子水平。而每个量子元件尺寸都在原子尺度,由它们构成的量子计算机,将会微型化与集成化。
能耗低:计算产生的能耗主要是由于计算过程中不可逆操作引起的,传统计算机模型的计算操作是不可逆的。而对于量子计算由于叠加态的存在,计算过程可逆,因此只会产生较低的能量损耗。
二、量子计算机
传统计算机的基本工作原理是通过嵌入在硅芯片上微型晶体管的关和开两种状态,将数据编码为0或1两种状态之一,使用逻辑门(与、或、非)进行布尔代数运算操作并进行输出,输出数据仍为0或1。使用的基本物理性质为电导性。
量子计算机使用的基本物理性质为量子物理学,利用量子叠加原理进行运算。该量子可以是原子、光子或者电子等。量子计算机的基础单位Qubit(量子比特或量子位)比传统的比特(0或1)更为灵活,允许制备在两个逻辑态0和1之间的相干叠加态,可以视作同时代表0和1,描述了0或者1的可能性。这种灵活性带来了强大的信息存储和处理能力,使之比传统计算机能够更快地处理更加复杂的运算,记录更多的信息。
量子计算的革命性引起了人们广泛的关注,也促使着量子计算技术从理论走向现实。随着第一台商用量子计算机的问世,量子计算从实验室走向了商业化应用。量子计算已成为IBM、微软和谷歌等信息产业巨头竞相逐鹿的战场。IBM推出一款5量子位的量子计算机平台,供用户进行算法或实验模拟;微软研究院借助量子计算,让半导体实现了衔接,使得半导体材料可以像超导一样运行;谷歌注重于量子计算机构架的研究,并提出了构建量子计算机的更简便方法,有可能大大提前新一代量子计算机问世的时间。
然而我们也看到,由于量子位在普通环境下难以制备,并且多量子位之间的协调控制较难,因此目前的量子计算机量子位数较少,导致量子计算机只能处理特定的问题,通用性差。此外量子计算机的制造维护成本特别高。量子计算机的成熟和大规模应用还需要突破很多技术瓶颈。
三、全球量子计算产业投资现状
在人类历史上,有众多的科学会议对后世的科技发展产生了持续的重大影响。如果有时光穿梭机,估计不少人都想回到1927年的第五次索尔维会议。这场会议之所以备受关注,一方面因为集结了当时全球最顶尖、最熠熠生辉的物理学家,而且29位与会者中曾有17人获得过诺贝尔奖;还因为此次会议上阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔为代表的哥本哈根学派关于量子力学的大辩论。