量子计算机维修方法介绍

作者：课课家教育来源： http://www.kokojia.com点击数：742发布时间： 2017-05-01 16:00:53

　　量子计算机（quantumcomputer）是一类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物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

　　科学家已经证明1克DNA可以储存215兆兆字节，或者说2.15亿千兆字节的数据。

　　编者按：都知道量子计算机有强大的计算能力，但似乎很少有人提及它的缺陷：由于量子电脑的本质原因，你不可以在上面保存或者复制信息。这是由量子计算机的本质所决定的，思考一下，量子态永远是处于概率之中，一旦有观测就会发生坍塌，所以，复制自然是不可能的了。如今，科学家们正致力于解决这个问题，其中一种方案就是使用DNA来存储信息。让我们来一起了解一下。

　　你肯定听到过这种炒作：量子计算机的革命时代正在到来。物理学家们说，这些计算机的速度快到可以破解银行现在使用的每一种加密模式。它们的人工智能如此先进，你可以载入元素周期表还有量子力学的法则，它们能够设计出目前为止最高效的太阳能电池。它们很快就会到来了：谷歌的研究人员本月早些时候在《自然》杂志上发表称，他们预计最早在五年内推出商业化的量子电脑。而且谷歌想要在今年末构建并测试一台49量比——也就是“量子比特”——的量子电脑。一些专家称，一台50量比的电脑性能要超过任何一台传统电脑。

　　量子论的一些基本论点显得并不“玄乎”，但它的推论显得很“玄”。我们假设一个“量子”距离也就是最小距离的两个端点A和B。按照量子论，物体从A不经过A和B中的任何一个点就能直接到达B。换句话说，物体在A点突然消失，与此同时在B点出现。除了神话，你无法在现实的宏观世界找到一个这样的例子。量子论把人们在宏观世界里建立起来的“常识”和“直觉”打了个七零八落。[1]

　　薛定谔之猫是关于量子理论的一个理想实验。实验内容是：这只猫十分可怜，它被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。这个残忍的装置由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔所设计，所以此猫便叫做薛定谔猫。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于非死非活的叠加态，这与我们的日常经验严重相违。[1]

　　瑞典皇家科学院2012年10月9日宣布，将2012年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家塞尔日·阿罗什和美国物理学家戴维·瓦恩兰，以表彰他们在量子物理学方面的卓越研究。他说，这两位物理学家用突破性的实验方法使单个粒子动态系统可被测量和操作。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而实验中还能保持单个粒子的量子物理性质，这一物理学研究的突破在之前是不可想象的。[2]

　　但是存在一个大问题：由于量子电脑的本质原因，你不可以在上面保存或者复制信息。如果不能够备份自己的工作成果，那么再强大的计算能力也没有什么用武之地。你可以转变一下量子数据，然后把它放在一个传统的储存设备里，但是这些转化过的数据会占用很大的空间。所以，物理学家们在搜寻一种由新的材料(包括DNA)制作出来的可靠的、超级压缩的硬盘驱动器。

　　量子电脑之所以如此强大，正是因为它们的数据密度。一台传统的电脑阅读、储存、控制比特：1和0。但是量子电脑使用的是量子比特：一种在你观察的时候可以同时存在两种状态的小小的量子物质——0和1。而如果你可以在两种状态叠加的情况下控制量子微粒，那么你就可以平行处理多项任务。这能够提高与计算有关的特定任务的处理速度。这种速度不会让你的Netflix观看体验更好，也不能让你的微软Excel承受能力更强。但是它在运行搜索算法或是和有机物质或人脑相似的模拟复杂系统时，速度将会非常快。

　　但是量子力学拥有不可思议的能力的同时也存在一定的缺点。它的法则允许叠加，但是同时也禁止任何其他人复制量子微粒。“这叫做‘不可克隆原理，’”加拿大西蒙弗雷泽大学的物理学家StephanieSimmons说。她说量子电脑会把原子编程为特定的原子状态，代表了一连串的数字。想让电脑给另一个原子编出完全一样的原子状态在物理上几乎是不可能的。

　　所以Simmons提出了一个比较婉转的储存量子数据的方式：首先，你要把它转化为二进制数据——把描述出原子叠加的数字翻译成简单的0和1。然后，再用传统的存储形式把这些转化过来的数据存储起来。换句话说：硬盘驱动器。一个超级压缩的硬盘驱动器，因为一台49量比的电脑的每一个量子数据的文件大小可以达到4,0000个视频的规模。

　　为了储存如此巨大的数据，量子电脑的开发者们需要新的数据存储科技，Simmons说。现在商业化的驱动器压缩程度还不够。一个单一量子文件会占到一个固态硬盘驱动器上一张邮票大小的地方。

　　所以DNA是可供选择的储存方案。《科学》杂志本月早些时候发表称，科学家已经证明1克DNA可以储存215兆兆字节，或者说2.15亿千兆字节的数据。在这种密度下，两辆皮卡车就可以装下人类所有的数据。

　　和传统的硬盘驱动器只在二维表面上储存数据不同，DNA是在三维分子上储存数据的。多出来的那个垂直维度使得DNA每单位存储的信息要多得多。

　　而且，它可以持续很长时间。“想一想你90年代买的CD，”哥伦比亚大学的计算机科学家YanivErlich说，他正在研究这一领域。“它们可能有些地方被刮花了，而你已经不能准确地读出那些数据了。但是DNA却可以在很长一段时间内储存信息。我们现在可以非常准确地读出几千年前的骨骼上的DNA。

　　另一种超压缩技术将比特编译在了单一原子上。IBM的研究人员上个星期发表文章说他们把比特储存在了一个单一原子上，然后又把数据成功地读了出来。为了做到这一点，他们把钬原子嵌在了一块芯片上，然后利用电子设备控制每一个原子产生的内在磁场的方向。他们发现，当原子之间的距离有1毫微米的时候，他们就可以独立控制原子。所以基本上可以在每个原子上编译1比特。不可能超过这种密度了，IBM的物理学家ChrisLutz说。商业化的硬盘驱动器在至少100,000个原子上储存1比特——就算是DNA的碱基对都是由30个原子组成的。

　　这两种技术都和量子电脑本身一样，距离商业化还需要一定的年份。DNA的合成非常昂贵，而且读取时间也很长。而要在单一原子上储存数据，你需要保持原子处于极度低温的状态——大概接近绝对零度——因为不然的话，原子会彼此干扰并覆盖它们的数据。除此之外，大量的量子运算还需要开发出一些算法以便把量子数据高效地压缩转化为二进制——然后还要设计出能够执行这些算法的硬件。