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量子计算机的未来有多远(科普与原理)

时间:2014-01-09 21:35来源:原创 作者:韩杰荣 点击:
美国《华盛顿邮报》报道,美国国家安全局(NSA)计划研发、制造比传统计算机运算速度惊人的量子电脑,能破解全球互联网各类加密技术。量子计算机来势汹涌,虽然离开专业已经快七年了,因特网上对于量子计算机语焉不详,比较难懂,应某个比我离开IT更早的老鸟邀请,特整
韩杰荣 2014年1月5日于兰州

     日前获悉:美国《华盛顿邮报》报道,据美国监视项目泄密人,中情局前职员斯诺登提供的文件,美国国家安全局(NSA)在开展一项耗资7970万美元的“渗透坚固目标”计划,研发、制造比传统计算机运算速度惊人的量子电脑,能破解全球互联网各类加密技术,使局方能自由截取各种资料。传闻该机能破解世界各地金融、医疗、商业、政府记录在内的几乎所有密码。

     一时间,量子计算机来势汹涌,虽然离开专业已经快七年了,因特网上对于量子计算机语焉不详,比较难懂,应某个比我离开IT更早的老鸟邀请,特整理此文,声明只是各处抄抄,权以为大众科普,不可当作专业论文来考评的。

     现在的主流计算机CPU使用单晶硅做集成电路板,用铝或铜印刷电路,但随着制程的升级,已没有多少升级的空间。目前主流制程是22nm,预计2019年到5nm。

     根据量子力学,电子在低于10nm以下的相邻电路中运行时量子涨落已经很明显了,按测不准原理,电子就会产生隧道效应(电子不再依印刷好的电路运行,而是任意穿过10nm以下的绝缘壁)。而且电子迁移会将仅有10个铜原子宽的电路撞得不再笔直或产生漏电。所以电子计算机制程发展到10nm以下时,基本到了极限。

     一个门电路是在一个晶体管内完成,一个硅原子大概0.1纳米,22纳米横铺就是220个硅原子。当小到10个硅原子宽的时候,也就是 1纳米制程。除非有更先进的门电路铺设方法,否则直径1纳米、32个硅原子围一圈的空间内能完成一个门电路铺设应该就是极限了,这还没有考虑电子迁移和量子涨落,估计到时候薛定谔的猫就会出现了,好了言归正传。

     我们也可以通过改变材料来减缓极限到来的时间,比如45nm开始用铜导线代替铝导线,IBM已经研制成功碳纳米管芯片代替硅晶体管,但是离商用还有很长的路要走,也许是另外一种材料。更可行的办法是把平面印刷改为立体印刷,3D印刷(Intel 3-D三栅极晶体管, IBM 3D胶水芯片)可以在现有制程基础上发展好几年。

     需求决定方向,所以早就有科学家们在研究可代替电子计算机的下一代计算机。发展方向主要有三,生物计算机、光子计算机和量子计算机。

     先说光子计算机,光子计算机是以光子作为传递信息的载体,利用激光来传送信号,光互连代替导线互连,以光硬件代替电子硬件,由光导纤维与各种光学元件等构成集成光路,以光运算代替电运算。问题来了,用光的通断进行二进制计算还算靠谱,但我们都知道断了光源后,光就消失了,如何解决中断光源(断电)后光子的稳定性问题是光存储的难点。传说中具有超大规模的信息存储容量的光储存器是什么样的呢,有报道说将会是一种可透光的液态存储器,数据直接纪录在每个原子上,以高速运动的原子实现数据的高速读取,从而取代现在的内存或硬盘。众所周知光子是没有质量没电荷的虚粒子,与物质作用力很弱,很难控制,以现有科技几乎没有可操作性。除非环境温度保持在-273.15℃(绝对零度)附近,否则只要一有热运动,技术上来说光子什么的就白瞎了,返回的结果估计连神都认不出来。所以,光子计算短时间是不可能突破的。

     生物计算机由一堆装着有机液体的试管组成,通过控制DNA分子间的生化反应来完成运算。其实应该叫做DNA计算机或者生物分子计算机,它是由DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)和蛋白质分子构成的分子自动机。DNA通过四种碱基不同顺序的编码,存储了生物所有的遗传信息,它本身就是一个描述器。这也就意味着,理论上我们可以使用四种碱基的组合来编码信息,并对其进行运算操作。已经有科学家用DNA分子实现了计算机的基本器件逻辑门,让传统的二进制(布尔逻辑)运算成为可能。但是只有逻辑门并不意味着可以制造出计算机,目前只是在生物元件,特别是在生物传感器的研制方面已取得一些实际成果。科学家努力的方向之一,是把DNA计算移植到芯片上进行,当然其主角依然是那些纳米级尺寸的DNA分子,而非一般概念上的生物,而且离生物芯片还有十万八千里。

     另一个就是量子计算机了,量子计算机是以量子力学为基础,实现量子计算的机器。在此之前,先搞清楚几个概念。在量子运算体系中,量子位元(又称量子比特)是量子信息的基本计量单位。一个量子位元代表了一个双态系统,操作的基本对象是粒子,例如一个光子会产生两种偏振状态,这两种状态是垂直偏振和水平偏振。我们知道,在经典的电子计算机中,在同一时间,一个位元要么是0,要么是1。量子位元是两个状态0和1的量子叠加。这是量子计算的根本属性。量子三元是量子位元的衍伸,所对应的基本征值为+1、0、-1。量子计算是对于一个或多个量子位元或量子三元进行基本操作,以达到具有量子特性的演算功能。

     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。从前面的定义大家也看到与传统电子计算机的区别,正交态(某一力学量的基本征态,如电路的开和关,无须测量)的二进制计算不再是基础(我们可以认为传统的经典计算是一种特殊的量子计算)。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性,量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态,其相互之间通常不正交,对所有可能进行正变换得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的测量,给出计算结果。

     问题来了,就目前为止,由于操作的对象是微观物理系统中的物质粒子(如光子、电子、离子和原子),光子和原子之间的相互作用太微弱。所以很难解决测量的问题,读取信息的准确度不是很高。还是拿存储来说,科学家们在实验利用单个原子存储信息,让铷原子吸收一个光子,从而让铷原子进入一种稳定的量子状态,并采用相同的方法读取,准确率约为90%,且量子信息在铷原子内的存储时间约为180微秒,而我们所要求的存储时间要比这长得多。另外,受到光线的散射和反射等原因,照射后的光子中有多少被存储,接着又能被读出——所谓的效率,还不到10%。科学家们正着力进行研究以改进存储时间和效率。

     量子计算机的重点是量子计算,除传统计算外,量子计算机的最主要作用是解决一些经典计算机无法解决的问题。

     制造量子计算机主要办法是电路模型或门级模型,其处理器架构跟传统计算机类似,将量子位从叠加态转化为传统计算机的状态。但迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机。就像半导体材料(单晶硅)对于电子计算机一样,量子计算机也在期盼着一种属于它的新材料。

     据网络报道,2011 年,D-Wave 发布了全球第一款商用型量子计算机——D-Wave One,它采用了 128 量子位元的处理器,运算速度是前代(2007年原型机Orion)的四倍,理论运算速度已经远超当时的所有超级计算机。同时按“罗期定律”(仿摩尔定律,量子位数量每年翻番,好象已经连续10年证明了自己可以让量子位的数量每年翻番),2013年初,D-Wave Two 量子计算机面世,其处理器达到了 512 量子位,它在某些领域的运算能力可以在很长一段时间内保持领先,售价 1500万美元。D-Wave Two工作时,环境温度必须保持在 20mk( -273.13℃,比上一代进步了15mk,约0.015℃)。

     另据报道,Google(谷歌公司)和NASA(美国国家航空和太空管理局)已将“D-Wave Two”购买并安置在NASA位于加利福尼亚州艾姆斯研究中心的全新量子人工智能实验室内。Google和NASA试图挖掘这台计算机的全部潜力,希望量子计算技术可以推动机器学习领域的发展,主要是寻找跟踪气候变化(解决全球变暖)、疾病治疗、开发语音识别技术(机器人解读人类语音信息)等方面问题的途径。

     本次斯诺登透露出前东家的东家NSA的信息,处理透露出不合理性,一个外包公司的前职员,涉密的级别如此之高,隐约透出一点冷战的味道。

     实际上Google与NASA投资量子计算机的实验性质要远远大于商业性质。2010年上半年,Google在全球共有36个数据中心。其中美国有19个、欧洲12个、俄罗斯1个、南美1个和亚洲3个。2006年Google在数据中心上的开销是19亿美元,2007年是24 亿,2008年23.6亿,2009年8亿9百万,2010年上半年已开销7亿1千5百万。两家花1500万美元买台机器,确实不是什么问题。

     而且做为信息技术发源地的美国,确实在很多方面有先天优势(科学没有国界,科学家是有国界的)。在很多时候,很多加密算法甚至公钥都是第一时间提供给相关机构(比如NSA),解密都只需要破解私钥。掌握了算法,只要有足够快的机器,解开密码分分钟的事,事实如此,无言以对。

     抛开政冶不谈,从技术角度可以看出,光子计算机强调用光解决一切,量子计算机强调使用量子算法(量子叠加性、相干性)。本人大胆预测,二者最终会殊途同归。但就目前而言,想要一台像PC(最次也必须是小型机)一样实用的量子或任何下一代计算机,至少还需要等关键性的技术、新材料的突破,至少还得20年以上吧。未来的计算可能更像大型机加终端(像手机就是很好的一种终端,NC是另一种形式的终端)的方式,而游戏、娱乐等需要使用计算的,则趋向于专门的设备,如PSP、XBOX、DVD等。PC做为一种通用计算机,一个开启数字时代、见证互联网时代、并创造了信息时代辉煌的机器,最终将会消失在历史的长河里。

    
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