學(xué)霸的科幻世界 第二百零一章 量子算法和物理實(shí)現(xiàn)

接下來的幾天，龐學(xué)林主要精力都放在了量子計(jì)算機(jī)的學(xué)習(xí)上面。

所謂量子計(jì)算機(jī)，就是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律儲存量子信息、實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理裝置。

一般情況下，量子計(jì)算機(jī)的輸入可以用一個(gè)具有有限能級的量子系統(tǒng)來描述。

如二能級系統(tǒng)，稱之為量子比特。

量子比特Ψ>α0>β1>可以是0>態(tài)和1>態(tài)的任意組合，其中α和β分別代表相干疊加態(tài)中的比例系數(shù)。

基于量子相干效應(yīng)，α2β21的條件系數(shù)取值有無窮多組，因此，量子比特所代表的的信息得以大大豐富。

根據(jù)量子比特的構(gòu)成，又可以將量子計(jì)算機(jī)分為以下幾種類型。

利用光子的偏振構(gòu)建量子比特，即所謂的光量子計(jì)算機(jī)。

2017年，世界上首臺光量子計(jì)算機(jī)誕生于中國科技大學(xué)。

利用被捕獲離子或者原子的能級構(gòu)建量子比特，即所謂離子型量子計(jì)算機(jī)。

目前離子型量子計(jì)算機(jī)還沒有被制造出來，瑞典和奧地利的科學(xué)家曾經(jīng)合作制造出了離子型量子計(jì)算機(jī)的基本元件，但距離制造真正的離子型量子計(jì)算機(jī)，還有一段時(shí)間。

最后一種，就是超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)，即利用超導(dǎo)線路，其中包括Cooper對以及與環(huán)流方向相關(guān)的左/右旋環(huán)流疊加態(tài)，構(gòu)建量子比特。

目前IBM、谷歌、微軟等公司正在這一領(lǐng)域展開激烈競爭。

量子的疊加性和量子相干性是量子計(jì)算機(jī)最本質(zhì)的特征。

量子計(jì)算機(jī)對每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)的變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有這些經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計(jì)算機(jī)的輸出結(jié)果。

因此，量子計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是一種并行計(jì)算，在并行條件下能夠在多項(xiàng)式時(shí)間內(nèi)解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)指數(shù)時(shí)間內(nèi)才能解決的問題。

例如，量子計(jì)算機(jī)能夠在幾秒鐘內(nèi)將一個(gè)250位的大數(shù)分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的乘積，而當(dāng)前的計(jì)算機(jī)完成此項(xiàng)工作需要耗時(shí)一百萬年。

正因?yàn)槿绱耍澜缟喜庞袩o數(shù)來自數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等領(lǐng)域的頂尖學(xué)者，對量子計(jì)算機(jī)產(chǎn)生了興趣。

同時(shí)也引起了政府部門以及商界的興趣。

不過到目前為止，所謂的量子計(jì)算機(jī)都還只是一個(gè)昂貴的玩具。

中間夾雜著大公司如谷歌、IBM、微軟等為了主導(dǎo)行業(yè)而進(jìn)行的非科學(xué)性質(zhì)的競爭。

比如幾個(gè)月前，谷歌宣布的所謂量子霸權(quán)，更多的是源于商業(yè)利益，而并非技術(shù)上真的達(dá)到了那種程度。

目前，在量子計(jì)算機(jī)的研究領(lǐng)域，主要有兩大分支。

分別是量子算法和物理實(shí)現(xiàn)。

實(shí)用型的量子算法又可以分為三個(gè)大類，第一類是以Shor算法為代表的基于量子Fourier變換方法尋找周期性的問題，進(jìn)一步又可以歸結(jié)為阿貝爾隱含子群的問題。

第二類算法叫做Gover算法。

Gover算法構(gòu)建了基于概率幅放大方法的一類問題的基本框架，包括改進(jìn)型的Gover算法、碰撞問題、量子遺傳算法、量子模擬退火算法、量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

第三類屬于模擬或者解決量子物理問題的算法，包括費(fèi)曼提出的用量子計(jì)算機(jī)加速量子物理仿真的原創(chuàng)性設(shè)想，近期也有基于量子隨機(jī)游走，尤其是連續(xù)時(shí)間量子隨機(jī)游走的算法，其中就包括由麻省理工大學(xué)理論物理中心主任愛德華·法里和古特曼合作提出的NAND樹的布爾邏輯計(jì)算算法等。

而量子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)，難度比量子算法還要大很多。

首先，量子計(jì)算機(jī)的物理系統(tǒng)必須滿足以下幾點(diǎn)要求。

第一，具有可伸縮、特性良好的量子比特位。

第二，能夠初始化量子比特到某個(gè)基準(zhǔn)態(tài)，如000…>。

第三，必須具有足夠長的相干時(shí)間，要比完成量子門的操作時(shí)間長很多。

第四，具有一套通用的量子門。

第五，能夠?qū)崿F(xiàn)對特定量子比特位的測量。

為了能夠在物理上實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，研究人員們基于以上幾個(gè)要求，在兩大方向上進(jìn)行了深入的研究。

第一種，就是基于固態(tài)電磁電路的量子計(jì)算機(jī)。

這種方案又包括自旋系統(tǒng)，超導(dǎo)系統(tǒng)，量子點(diǎn)系統(tǒng)，核磁共振系統(tǒng)等不同方案。

第二種就是基于量子光學(xué)系統(tǒng)的量子計(jì)算機(jī)。

包括離子阱、腔量子電動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、線性光學(xué)系統(tǒng)、光子晶體和光子晶體束縛冷原子體系等實(shí)現(xiàn)方案。

花了整整半個(gè)月的時(shí)間，龐學(xué)林將一百篇論文以及系統(tǒng)給的量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)手冊全部刷了一遍，對量子計(jì)算機(jī)有了一個(gè)基本的了解。

然后他發(fā)現(xiàn)，想要將系統(tǒng)給的這臺量子計(jì)算機(jī)在現(xiàn)實(shí)中制造出來，短時(shí)間內(nèi)可能性不大。

因?yàn)橄到y(tǒng)給的這臺量子計(jì)算機(jī)，屬于拓?fù)淞孔佑?jì)算機(jī)，其量子芯片內(nèi)的量子比特?cái)?shù)，高達(dá)一千萬個(gè)，計(jì)算力比全世界所有計(jì)算機(jī)加起來還要高出好幾個(gè)數(shù)量級。

而想要制造這種量子芯片，需要基于一種1/4電荷的準(zhǔn)粒子，這種粒子的行為與那些帶有奇數(shù)分之一電荷的準(zhǔn)粒子十分不同，當(dāng)電子、光子或是帶有奇數(shù)分之一電荷的粒子和另外一個(gè)粒子交換位置時(shí)，不會產(chǎn)生多大的整體效應(yīng)。

相比而言，1/4電荷準(zhǔn)粒子的位置交換可編織出一個(gè)能保留粒子歷史信息的“辮子”，表現(xiàn)出了具有“非阿貝爾”特性。

雖然現(xiàn)實(shí)世界早在2008年，就已經(jīng)有以色列的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了這種準(zhǔn)粒子的存在。

但想要準(zhǔn)確找到對應(yīng)的材料，需要投入的人力物力，基本上是一個(gè)天文數(shù)字。

不過雖然沒辦法將這臺量子計(jì)算機(jī)的量子芯片，但通過這本技術(shù)手冊，龐學(xué)林卻找到了一條利用石墨烯材料與常規(guī)超導(dǎo)體的近鄰效應(yīng)，構(gòu)建馬約拉納費(fèi)米子的辦法。

而馬約拉納費(fèi)米子，恰恰是實(shí)現(xiàn)真正意義上量子拓?fù)溆?jì)算的最關(guān)鍵的一步。

“或許，谷歌所說的量子霸權(quán)，可以在我的手里實(shí)現(xiàn)。”

龐學(xué)林喃喃自語道。