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百科名片:量子计算机

量子计算机(quantum computer)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。

 

量子计算机,早先由理查德·费曼提出,一开始是从物理现象的模拟而来的。可他发现当模拟量子现象时,因为庞大的希尔伯特空间使资料量也变得庞大,一个完好的模拟所需的运算时间变得相当可观,甚至是不切实际的天文数字。理查德·费曼当时就想到,如果用量子系统构成的计算机来模拟量子现象,则运算时间可大幅度减少。量子计算机的概念从此诞生。

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量子计算机,或推而广之——量子资讯科学,在1980年代多处于理论推导等纸上谈兵状态。一直到1994年彼得·秀尔(Peter Shor)提出量子质因子分解算法后,因其对于现在通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后,量子计算机变成了热门的话题。除了理论之外,也有不少学者着力于利用各种量子系统来实现量子计算机。  半导体靠控制集成电路来记录和运算信息,量子电脑则希望控制原子或小分子的状态,记录和运算信息。  图2:布洛赫球面乃一种对于二阶量子系统之纯态空间的几何表示法,是建立量子计算机的基础。  20世纪60年代至70年代,人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热,极大地影响了芯片的集成度,从而限制了计算机的运行速度。研究发现,能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么,是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢?问题的答案是:所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机,而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作,那么在量子力学中,它就可以用一个幺正变换来表示。早期量子计算机,实际上是用量子力学语言描述的经典计算机,并没有用到量子力学的本质特性,如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中,基本信息单位为比特,运算对象是各种比特序列。与此类似,在量子计算机中,基本信息单位是量子比特,运算对象是量子比特序列。所不同的是,量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上,而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态,不仅提供了量子并行计算的可能,而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同,量子计算机可以做任意的幺正变换,在得到输出态后,进行测量得出计算结果。因此,量子计算对经典计算作了极大的扩充,在数学形式上,经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换,所有这些变换同时完成,并按一定的概率幅叠加起来,给出结果,这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外,量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统,这项工作是经典计算机无法胜任的。  1994年,贝尔实验室的专家彼得·秀尔(Peter Shor)证明量子计算机能完成对数运算,而且速度远胜传统计算机。这是因为量子不像半导体只能记录0与1,可以同时表示多种状态。如果把半导体计算机比成单一乐器,量子计算机就像交响乐团,一次运算可以处理多种不同状况,因此,一个40位元的量子计算机,就能解开1024位元的电子计算机花上数十年解决的问题。

有趣的量子理论

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”打个了七零八落。  薛定谔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。

编辑本段概念

量子计算机,顾名思义,就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算,首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器,其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。

经典计算机的特点

1.其输入态和输出态都是经典信号,用量子力学的语言来描述,也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110,用量子记号,即|0110110>。所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态:C1|0110110 >+ C2|1001001>。  2.经典计算机内部的每一步变换都演化为正交态,而一般的量子变换没有这个性质,因此,经典计算机中的变换(或计算)只对

量子计算机

应一类特殊集。

量子计算机的特点

相应于经典计算机的以上两个限制,量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述,如二能级系统(称为量子比特(qubits)),量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的玄正变换。  1.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;  2量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。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。  由此可见,量子计算对经典计算作了极大的扩充,经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算,所有这些经典计算同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来,给出量子计算机的输出结果。这种计算称为量子并行计算。  无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是,在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中,量子比特不是一个孤立的系统,它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即消相干(也称“退相干”)。因此,要使量子计算成为现

承载16个量子位的硅芯片

实,一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是:量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比,是目前研究的最多的一类编码,其优点为适用范围广,缺点是效率不高。  迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是,世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算,方案并不少,问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景,只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场,最后脱颖而出的是一种全新的设计,而这种新设计又是以某种新材料为基础,就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新,这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算

量子计算机原理

机无法解决的问题。

量子计算机能做什么

量子计算机可以进行大数的因式分解,和Grover搜索破译密码,但是同时也提供了另一种保密通讯的方式。在利用EPR对进行量子通讯的实验中中我们发现,只有拥有EPR对的双方才可能完成量子信息的传递,任何第三方的窃听者都不能获得完全的量子信息,正所谓解铃还需系铃人,这样实现的量子通讯才是真正不会被破解的保密通讯。此外量子计算机还可以用来做量子系统的模拟,人们一旦有了量子模拟计算机,就无需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值计算,便可精确地研究量子体系的特征。  量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的,量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序,其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂,再进行高速的量子修补,但是其精确度和速度也是普通电脑望尘莫及的,因此造价相当惊人。目前唯一一台量子计算机仍在微软的硅谷老家中,尚在试验阶段,离投入使用还会有一段时间。量子计算机当然不是给我们用来玩电子游戏的,因为这好比拿激光

硅芯片上16个量子位的光学照片

切割机去切纸,其主要用途是例如象测量星体精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人或人工智能等需要大规模、高精度的高速浮点运算的工作。在运行这一系列高难度运算的背后,是可怕的能量消耗、不怎么长的使用寿命和恐怖的热量。  假设1吨铀235通过核发电机1天能提供7000万瓦伏电量,但这些电量在短短的10天就会被消耗殆尽,这是最保守的估计;如果一台量子计算机一天工作4小时左右,那么它的寿命将只有可怜的2年,如果工作6小时以上,恐怕连1年都不行,这也是最保守的估计;假定量子计算机每小时有70摄氏度,那么2小时内机箱将达到200度,6小时恐怕散热装置都要被融化了,这还是最保守的估计!  由此看来,高能短命的量子计算机恐怕离我们的生活还将有一段漫长的距离,就让我们迎着未来的曙光拭目以待吧!

量子计算机的工作原理

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行,称为“比特”(bit)。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子位(qubit)上运算,可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子,它像陀螺一样旋转,于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。常识告诉我们:原子的旋转可能向上也可能向下,但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中,原子被描述为两种状态的总和,一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中,每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。  现在,想象一串原子排列在一个磁场中,以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方,激光束会跃下这组原子,迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异,我们已经完成了一次复杂的量子“计算”,涉及了许多自旋的快速移动。

目前发展的系统

包括如下物理系统:  液态核磁共振量子计算机(liquid-state NMR quantum computer)  (固态)硅晶体核磁共振量子计算机(silicon-based NMR quantum computer)  离子陷阱(ion trap)  量子光学(quantum optics)  腔室量子电动力学(cavity QED)  超导体方案  等等方法,各自有各自的瓶颈。

编辑本段名称的不同

关于在中国台湾的名称

在中国台湾,由于人们习惯上将电子计算机称为“电脑”,所以许多人往往沿用其名称而将量子计算机称为“量子电脑”。因而,在台湾两种名称皆可见到,不过后者使用得更多。  事实上在台湾,“计算机”指的是Calculator,就是一般店员在卖东西时,计算简单加减乘除用的那种巴掌大的计算工具。台湾人由于电子工业发展得早,1970年代就大量使用“计算机”这种方便的工具来做商业计算,对应到Computer时,当然不能用“计算机”来称呼这种能够复杂计算的新产品了,于是台湾人说的“电脑”,指的是像Intel/AMD的x86类CPU或Macintosh的PowerPC/Intel MAC这种有着复杂计算的机器。  香港与台湾一样也称Computer为“电脑”。

关于在中国大陆的名称

在中国大陆地区,Computer可以称为“计算机”或者“电脑 ”。其中“电脑 ”更为广泛的指家用电脑,而“计算机”更多的指具有科研等目的专业、非多媒体计算机。由于量子技术还处于起步阶段,只能在实验室见到,故多称“量子计算机”而非“量子电脑 ”。  Calculator被称为“计算器”,而非“计算机”。在中文中,“器”多指具有简单结构、功能的对象;而“机”多指具有复杂结构、功能的对象。因此,“计算器”和“计算机”能很直接的区别calculator和computer。

编辑本段展望

未来

现在用原子实现的量子计算机只有5个q-bit,放在一个试管中而且配备有庞大的外围设备,只能做1+1=2的简单运算,正如Bennett教授所说,“现在的量子计算机只是一个玩具,真正做到有实用价值的也许是5年,10年,甚至是50年以后”,我国量子信息专家中国科技大学的郭光灿教授则宣称,他领导的实验室将在5年之内研制出实用化的量子密码,来服务于社会!科学技术的发展过程充满了偶然和未知,就算是物理学泰斗爱因斯坦也决不会想到,为了批判量子力学而用他的聪明大脑假想出来的EPR态,在六十多年后不仅被证明是存在的,而且还被用来做量子计算机。

量子计算机的广阔前景

社会生产力的发展是科学发展的基石和原动力,从物理学的诞生到技术文明高度发达的今天都是如此。  近年来由于社会对高速、保密、大容量的通讯及计算的需求,促进了量子信息、量子计算理论与实验的迅速发展。  目前,美国的洛斯阿拉莫斯和麻省理工学院、IBM、和斯坦福大学、武汉物理教学所、清华大学四个研究组已实现7个量子比特量子算法演示。  2007年2月,加拿大D-Wave系统公司宣布研制成功16位量子比特的超导量子计算机(尚未经科学检验),如果他们是诚信的,这个工作的意义就非常重大,或许,可实际应用的量子计算机会在几年内出现,量子计算机的时代真的要开始了!  2010年3月31日,德国于利希研究中心发表公报:德国超级计算机成功模拟42位量子计算机,该中心的超级计算机JUGENE成功模拟了42位的量子计算机,在此基础上研究人员首次能够仔细地研究高位数量子计算机系统的特性。

编辑本段研发现状

世界首台量子计算机在美国问世

1920年,奥地利人埃尔温。薛定谔、爱因斯坦、德国人海森伯格和狄拉克,共同创建了一个前所未有的新学科——量子力学。量子力学的诞生为人类未来的第四次工业革命打下了基础。在它的基础上人们发现了一个新的技术,就是量子计算机。  量子计算机的技术概念最早由理查得·费曼提出,后经过很多年的研究这一技术已初步见成效。  2009年11月15日,世界首台量子计算机正式在美国诞生,  这一量子计算机由美国国家标准技术研究院研制,可处理两个量子比特的数据。较之传统计算机中的“0”和“1”比特,量子比特能存储更多的信息,因而量子计算机的性能将大大超越传统计算机。  研究人员‘大卫·汉尼克’表示,通用编程量子计算机采用了量子逻辑门技术来处理数据。制造量子逻辑门需设计一系列激光脉冲,以操纵铍离子进行数据处理,再由另一个激光脉冲读取计算结果。一个简单的单量子比特门,可从0转换成1,也可从1转换成0。但与传统计算机的物理逻辑门不同的是,这台设备的量子逻辑门均已编码成激光脉冲。当激光脉冲量子门对量子比特实行简单逻辑操作时,铍离子便会开始旋转,实现对量子比特的存储。  这台量子计算机的核心部件是具金色图样的铝晶片,内含直径约为200微米的电磁圈。科学家将两个镁离子和两个铍离子置于电磁圈中,镁离子可起到“稳定剂”的作用,消除离子链的不必要振动,保持计算机的稳定性。  由于两个量子比特的操作具有多种可能,研究小组随机选取了160种操作方式进行了演示,以验证处理器的通用性。每次操作都用31个不同的量子门击打量子比特,将其编码成激光脉冲。这其中大部分为单量子比特门,脉冲只需要与单一离子进行相互作用。少数的双量子比特门则需要与两个离子同时发生交互作用。而通过对电磁圈旁黄金电极上的电荷进行控制,研究人员能有效增加所需的离子数量。  不过,这一量子计算机仍存在着相当的问题。例如,尽管每个量子门的准确率都在90%以上,而当综合使用时计算机的整体准确率却下降到 79%。这主要是由于激光脉冲的强度不同所造成的,汉内克解释说:“脉冲的波动性可造成这种误差,而光线的散射和反射等,也可能是原因。”  研究小组表示,通过提升激光的稳定性和减少光学设备的误差,可有效提高芯片的运行准确率。在准确率提升至99.99%时,该芯片才能作为量子处理器的主要部件,最终实现通用编程量子计算机的实际应用。

最新研究结果

据美国物理学家组织网5月3日(北京时间)报道,德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家格哈德·瑞普领导的科研小组,首次成功地实现了用单原子存储量子信息——将单个光子的量子状态写入一个铷原子中,经过180微秒后将其读出。最新突破有望助力科学家设计出功能强大的量子计算机,并让其远距离联网构建“量子网络”。  量子计算机因其能同时处理用单个原子和光子等微观物理系统的量子状态存储的很多信息,计算速度更快。但量子计算机进行操作时,其内部不同组件之间必须能进行信息交换。因此,科学家希望量子信息能在光子和物质粒子之间交换。  此前,科学家实现了光子和数千个原子集合之间的信息交换,现在首次证明,采用一种可控的方式,量子信息也能在单个原子和光子之间交换。实现光子和单个原子之间信息交换的最大障碍是,光子和原子之间的相互作用太微弱。在最新研究中,科学家将一个铷原子放在一个光学共振器的两面镜子间,接着使用非常微弱的激光脉冲让单光子进入该共振器中。共振器的镜子将光子前后反射了多次,大大增强了光子和原子之间的相互作用。  研究人员还通过添加一束激光——控制激光(在铷原子同光子相互作用时,直接射向铷原子),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。且原子自旋会产生磁矩,该磁矩的方向将决定用来存储信息的稳定的量子状态。  这个状态可被相反的过程读出:他们再次使用控制激光照射铷原子,使其重新释放出刚开始入射的光子。结果发现,在大多数情况下,读出的量子信息同最初存储的信息一致,也就是所谓的保真度超过90%。而传统不基于量子效应获取的保真度仅为67%。且量子信息在铷原子内的存储时间约为180微秒,这能与以前基于多个原子方法获得的量子存储时间相媲美。  但是量子计算机或量子网络所要求的存储时间要比这更长。另外,受到照射的光子中有多少被存储接着被读出——所谓的效率,现在还不到10%。科学家正着力进行研究以改进存储时间和效率。  研究人员霍尔格·斯派克特表示,使用单个原子作为存储单元有几大优势:首先单个原子很小。其次,存储在原子上的信息能被直接操作,这一点对于量子计算机内逻辑操作的执行来说非常重要。另外,它还可以核查出光子中的量子信息是否在不破坏量子状态的情况下被成功写入原子中,一旦发现存储出错,就会重复该过程,直到将量子信息写入原子中。  另一名科学家斯蒂芬·里特表示,单原子量子存储的前景不可估量。光和单个原子之间的相互作用让量子计算机内的更多原子能相互联网,这会大大增强量子计算机的功能。而且,光子之间的信息交换会使原子在长距离内实现量子纠缠。因此,科学家们正在研发的最新技术有望成为未来“量子网络”的必备零件。

国内量子计算机发展现状

2007年初,中国科技大学微尺度国家实验室潘建伟小组在《Nature·Physical》上发表论文,宣布成功制备了国际上纠缠光子数最多的“薛定谔猫”态和单向量子计算机,刷新了光子纠缠和量子计算领域的两项世界记录,成果被欧洲物理学会和《Nature》杂志等广泛报道。四月,该小组提出并实验实现不需要纠缠辅助的新型光学控制非门,减少了量子网络电路的资源消耗。九月,该小组利用光子“超纠缠簇态”演示了单向量子计算的物理过程,实现了量子搜索算法,论文发表在《Physical Review Letters》上。  此后,该小组又在国际上首次利用光量子计算机实现了Shor量子分解算法,研究成果发表在国际最权威物理学期刊《Physical Review Letters》上,标志着我国光学量子计算研究达到了国际领先水平。 这一系列高质量的工作已经获得了国际学术界的广泛关注和认可。  特别引人注目的是,英国《新科学家》杂志在“中国崛起”的专栏中,把中科大在量子计算领域取得的一系列成就作为中国科技崛起的重要代表性成果,进行了专门介绍。

编辑本段第一台商业化量子计算机

在2007年,加拿大计算机公司D-Wave展示了全球首台量子计算机“Orion(猎户座)”。虽然当时只是一台能通过量子力学解决部分问题的原型机,不过也让我们看见了量子计算机的曙光。

样图(1张)

近日,D-Wave自豪地宣布,全球首台真正的商用量子计算机D-Wave One终于诞生了!其采用了128-qubit(量子比特)的量子处理器,性能是原型机的四倍,理论运算速度远远超越现有所有的超级计算机。当然,由于其架构特别的关系,目前只能用于处理部分特定的任务,例如高智能AI运算等,通用性还有尚不及现有的传统电脑。同时,D-Wave One在散热方面亦有非常苛刻的要求,自启动起其必须全程采用液氦散热,以保证其在运行过程中足够“冷静”。  当然了,这样的产品自然不是一般老百姓可以消费的。据称,一台D-Wave One的售价高达1000万美元,而且这个价格还未确定是否包括其中的液氦散热系统。不过作为新技术的开端,这个价格也是必然的。我们相信,随着科技的发展,量子计算机“走入寻常百姓家”将不再是梦想。

 

来自百度百科:http://baike.baidu.com/view/18645.htm

期待量子通信改变VR的传输瓶颈

期待量子通信改变VR的传输瓶颈

中国科学院国家空间科学中心研制的“墨子号”卫星,在中国的酒泉卫星发射中心成功发射升空并进入预定轨道。“墨子号”是一颗量子卫星,也是世界上第一颗量子卫星。
这条信息直接刷爆了朋友圈,所有人都在庆祝,中国又多了一项世界第一。
虚拟现实圈也在刷,庆祝墨子号发射成功,并预言量子通信未来可能会改变虚拟现实的发展,极大的促进虚拟现实的进步。
但是非常遗憾,VR日报今天可能要给大家泼凉水:墨子号飞天是值得咱们举国欢庆的喜事,但量子通信对于解决虚拟现实的传输瓶颈,作用微乎其微。
量子通信并不能帮助提高信道容量
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当然,并不是说墨子号是浪得虚名。
量子通信是怎么一回事?
根据量子科学的基本原理:两颗纠缠的光子被拆散之后,无论相距多远,总会心灵感应,一个形态发生变化,另一个会像镜子一样同步变化。利用这个特性实现光量子通信的过程如下:事先构建一对具有纠缠态的粒子,将两个粒子分别放在通信双方,将具有未知量子态的粒子与发送方的粒子进行联合测量(一种操作),则接收方的粒子瞬间发生变化成为某种状态,这个状态与发送方的粒子变化后的状态是对称的,然后将联合测量的信息通过经典信道传送给接收方,接收放根据接收到的信息对坍塌的粒子进行逆转变换,即可得到与发送方完全相同的未知量子态。
与经典通信相比,量子通信的安全性几乎是绝对的——绝不会“泄密”。
在量子通信过程中,信息本身经过经典通信传输,量子通信传输的只是密钥。量子加密的密钥是随机的,几乎可以做到用一次换一次,即使信息内容本身被窃取者截获,由于无法得到正确的密钥,因此无法破解信息。如果窃取者试图截获密钥,必须先截获光子,再去观测它,根据量子理论,宏观的任何观察和干扰,都会立刻改变量子态,引起其坍塌,因此光子会发生变化。结果密钥接收方要么没收到光子,要么收到光子后去跟发送方校验,发现结果不一样,马上就能反应过来通信过程被监听。当然,这并没有什么关系,一旦发现密钥丢失,申请重新传输新密钥,确认无误再解密信息。
墨子号有什么作用?
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在有线光纤为基础的量子通讯领域,由于光量子的不可分割特性,远距离传输不能进行信号放大,而损耗却很多,造成在远距离上信息传递效率很低。太空的真空环境却能让光量子在传输过程中的损耗大为降低,墨子号与地面发射站之间的距离为500公里,能够完美的充当覆盖全球的量子通信网络的中继站。这样一来,就使得量子通信不再局限于域内通信,而是可以覆盖整个地球!
所以,无论是墨子号也好,还是量子通信,重点并不在于信道容量,而在于信道安全。这与虚拟现实所要求的大容量信道并无相通之处,对于虚拟现实所要求的大体量数据传输也并不会有实际帮助。
量子通信的优点不在于速度,而在于保密。经典通信方式的信息传递速度已经是光速了,5G网络相比4G网络,提高的是单位时间里的传输字节数,即信道容量,在这方面经典通信反而比量子通信强得多。
虚拟现实对于通信能力的要求
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在虚拟现实圈子里,之所以有人对墨子号飞天感到欢欣鼓舞,是因为虚拟现实发展到目前,有一个巨大的瓶颈阻碍者整个行业的进步——通信传输能力。
通信传输能力是如何成为横亘在VR面前的大山的?
首先我们需要搞清楚虚拟现实对于人类的意义在于哪里:
虚拟现实通过硬件设备阻断人原有的视觉输入,并呈现出虚拟影像占据人类视觉,再辅之以与影像的其他交互,实现欺骗大脑的目的。

要实现以上目的,拥有支持VR计算的强大(经济)计算机是必备的,而次之的,就是强大的数据传输能力。
这个数据传输能力需要多强大呢?
大家可以尝试分两个方向去理解。
一个是将人眼每秒钟接收到的信息全部数据化,转化而来的数据文件会有多大?用Gb为单位来衡量恐怕是不行的,最少都应该是Tb为单位了。同样的,虚拟现实想要欺骗你的大脑,需要呈现在你面前的内容,就和人眼在现实中接收到的数据容量一样大。那么即使是一个简单的VR视频或者VR直播,其数据传输量就是一个天文数字。
二个是如果需要用VR设备营造出一个真实到足够欺骗大脑的影像,还要实现和用户的反馈与互动,终端的计算能力需要十分强大。在未来很可能是以云端计算结果下发终端的形式进行,这个结果庞大的体量就需要强大的网络通信能力来支持。那么比如用户在进行多人在线vr游戏时,频次密集的交互反馈需求,如果没有庞大的信道容量做支持,游戏体验将会是一团渣。
现阶段的网络数据传输有多快?
现有的网络通信能力,对于一个用户观看2K视频平均需要4Mbp的带宽,4K视频则需要18Mbp,而VR则需要175Mbp。加上现有网络的速率通常会受到不同程度的损耗,所以需要更大的网络容量才能支撑VR高品质画面的传输。
目前,国内三大运营商正在从4G向4G+过度。在4G+的网络下,手机上网下载速率最高可达300Mbps,上传速率最高可达50Mbps,这样的速率对于有线的VR或许可以支撑,但体验并不是最佳。

在网络数据传输能力不够的情况下,伴随之的还有极高的宽带成本。以1080p、20M来计算,用VR体验360°视频,单位用户成本是今天电视用户成本的10倍,是手机用户成本的100倍。例如爱奇艺的付费用户,现在的价格为15元或者30元钱/月,而要保持同样的利润率,会员需要付费3000元/月来观看VR。
总结来说,虚拟现实对于网络数据传输能力的巨大需求和现实中网络数据传输能力的不足之间的矛盾,造就了虚拟现实圈对墨子号飞天的一片欢呼雀跃。只不过,大多数人将会失望了。
所以,虚拟现实的在线传输,重任还是在5G肩上。
我们需要为墨子号欢呼鼓掌,然而,它对于虚拟现实,并没有什么卵用。倒是虚无缥缈的量子计算机,未来可能会给虚拟现实带来深远影响。

量子通讯卫星已经上天了,量子计算机普及还要多久?

尽管在我们一般人看来,传统的计算机到了今天机能已经足够强大了,但实际上它的发展已经开始陷入困境。既然传统的技术已经走到了极限,那么寻求突破,基于新的理论来研发计算机也就成为了迫切的需求。
  事实上这个概念早在 1969 年就已经被提出,即史蒂芬·威斯纳的“基于量子力学的计算设备”。不过它真正得到关注还是 1981 年物理学家理查德·费曼的演讲之后。他说,如果要用传统的计算机来模拟量子力学,那么微观粒子数量越多,计算量也就越大,也就越不可能实现模拟。费曼认为,要模拟量子力学,就必须要采用和它原理相同的方式。从此开始,量子力学开始和计算机科学联系在了一起。

量子卫星已经上天了 量子计算机还有多远?

  量子计算机之所以强大,简单来说是因为它的一个量子位可以同时处于 0 和 1 这两个状态,这是量子的叠加特性决定的。与此相比,传统计算机中的晶体管一次只能够处于 0 或 1 的状态。如此一来,如果要进行海量的运算,量子计算机在时间复杂度(指执行算法所需要的计算工作量)上就有了非常显著的优势。
  还是觉得很迷茫?可以看看量子计算机公司 D-Wave 联合创始人埃里克·勒迪辛斯基在一次会议上给出的形象比喻:假如图书馆里有 5000 万册书,而你要在某一本里的某一页上寻找大写的 X。即使你发了疯似的拼命,也只能一次一本书这样查看,任务几乎不可能完成。可如果有 5000 万个你同时去翻找,每个人各自去查看一本书,那任务就有可能及时完成了。传统计算机就是那个发了疯的你,而量子计算机就是那 5000 万个你。
  换句话说,传统计算机只能够按照时间顺序来处理任务,而量子计算机却能够做到超并行计算。N 个量子位可以同时表示 2 的 N 次方个状态,数据量呈指数增长。现有的超级计算机需要上千年的运算,可能量子计算机在很短的时间内就可以搞定了。

人类未来信息安全靠量子通信

当无人驾驶汽车正在行驶,远程指挥信号突然被截获、篡改怎么办?当你向家中的机器人发出无线指令,信号被破解、扭曲怎么办?在当前信息科技走向智能化、更深入人类生活的时代,“无条件安全”的量子通信出现正当其时。

   量子通信为何有这么大的“神通”?让我们从量子的概念说起。

   量子,是最小的、不可再分割的能量单位。我们中学物理书上学到的分子、原子、光子、电子,其实都是量子的不同表现形式。所以也可以说,我们的世界都是由量子组成的。而我们每个人,都是“24K”纯量子产品。

   与以牛顿力学为代表的经典物理世界不同,在微观量子世界,有着常人难以理解的运行法则。量子如同一个“小妖精”,具有量子态叠加、量子测不准、不可克隆、量子纠缠等匪夷所思的特性。世界著名物理学家、诺贝尔奖获得者玻尔曾说过:“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑,那他一定没听懂。”

   首先是量子态叠加。在经典世界里,物体在某一时刻有着确定的状态、确定的位置,但量子却同时处于多种状态和位置的叠加。

   奥地利物理学家薛定谔曾用一只猫来比喻量子态叠加:箱子里有一只猫,在经典世界中它要么是活的,要么是死的。但在量子世界中,它同时处于生和死两种状态的叠加。量子又像会“分身术”的孙悟空,可以同时身处于花果山、五行山下和取经路上。

   但是,当有人打开箱子“看”薛定谔那只猫,它就变成一种确定的状态了,要么活,要么死。而当唐僧发出召唤:“悟空,你在哪里?”孙悟空就会确定的出现在一个地方。——这就是量子的第二个特性:“测不准”。也因此引申出量子的另一个特性:“不可克隆”,它的未知状态是无法被精确复制的。

   除了“分身术”,量子还会“心灵感应”:量子纠缠。如果两个量子之间形成了“纠缠”关系,那么无论相隔多远,当一个量子的状态发生变化,另一个量子也会“瞬间”发生相应变化。爱因斯坦曾把这一现象称作“诡异的互动性”。

   我国物理学家潘建伟曾用“量子骰子”来比如量子纠缠态。“如果有两个‘量子骰子’之间形成了纠缠态,我和北京的一个朋友各拿一个骰子,那么无论他怎么掷骰子,我在合肥都能立马猜出骰子掷出的数字。”他说。

   如果看到这里,你还是没有看明白。那不怪你,连爱因斯坦也对量子的特性“纠结”了好多年,为此和他的物理学哥们玻尔多次“撕逼”。

   可以说,量子的这些奇异特性,完全颠覆了人们对经典物理世界的认知。但从上世纪以来,这些特性已被科学界多种方法验证,也为基于这些特性开展创新应用带来了可能,比如量子通信

   在现在所处的信息时代,我们的信息传输加密主要依赖于算法,但无论算法设计得多么复杂,计算机总能通过“运算”来破解,只是耗时长短问题。

   但由于量子具有“不可分割”、“测不准”、“不可克隆”等特性,科学家近年来开发出了一种原理上绝对安全的量子通信。

   首先,由于“不可分割”,窃听者无法分割出“半个量子”进行测量;其次,因为测量必然会改变量子的状态,窃听者也不能截取量子后测量状态,因为这样窃听行为就会暴露;第三,因为未知的量子态是无法被精确复制的,窃听者即使截取了量子,也不能通过复制量子状态来窃听信息,得到的只能是“乱码”。

   就这样,量子通信可以从原理上确保身份认证、传输加密以及数字签名等的无条件安全,从根本上、永久性解决信息安全问题。目前,量子保密通信已经步入产业化阶段,开始保护我们的信息安全。

   而今年8月16日凌晨发射的量子科学实验卫星,将在更辽远的太空层面对量子特性进行检验。卫星将发出一连串的量子信号,由地面上的实验站进行接收和解码。这也是人类历史上首次尝试在太空进行量子通信,如果取得成功,意味着建设全球化的量子通信网络在技术上成为可能。

   按照中国的规划,未来还将发射多颗量子卫星。到2030年左右,建成一个全球化的广域量子通信网络。

   现在,信息科技深入我们的生活,几乎每个人都成为通信网、互联网上的一个节点,衣、食、住、行、学都离不开信息服务。信息科技还在高速发展,无人驾驶、机器人等将在可预见的未来进入我们的生活,新兴的量子通信也将成为保障信息安全的“护卫舰”。

量子科学实验卫星“墨子号”发射升空

 8月16日,我国长征二号丁运载火箭将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空,在世界上首次实现了卫星和地面之间的量子通信,同时也是我国实现“无条件安全”的“天地一体化”量子通信网络构想下里程碑式的一步。首颗“量子科学实验卫星”的发射成功,有望让量子通信真正进入广域传输时代;其“测不准”“不可克隆”等特性,使得其传输的信息在理论上永不会被解密。

  发射卫星只是一个起点,在“宏伟量子大厦”中,量子京沪干线正在搭建,天地一体的广域量子网络指日可待。记者调研发现,在我国这个全球领跑的优势技术中,市场应用作为不可缺少的一环,正在不断突破,不仅已经在军事、大型活动中作为安全保障,更被不少金融机构所采纳。有人才、有技术、有资本,这一场量子应用的“大戏”才刚刚启幕。

  “洲际传播”开启产业化应用 政府部门、金融机构“尝鲜”

  量子通信技术已经开始在市场上得以产业化应用,目前主要应用于金融、政务、军事等领域信息的安全传输。有分析认为,随着未来量子通信在城域网、城际网、广域网全面铺开,量子通信的应用领域将推广到个人生活,到2030年量子通信市场有望达到千亿元水平。

  中国科学技术大学、杏林苑和滨湖新区……2008年10月,这三个合肥市内本不相干的点,因为一次实验连接在了一起。它们因为组成了三节点可扩展的量子通信网络,实现了全球首个量子保密电话系统建设,而被永久载入史册。

  随后,五节点,四十六节点,合肥、济南城域网,“京沪”城际网……量子通信网在不断扩展。将近十年后,随着量子卫星的发射成功,量子通信网络真正可能升至“广域”“洲际”传播,为信息保密传输画上了“天地一体”的注脚。

  提起量子通信这一“永不被解密”的安全传输方式,很多人觉得晦涩,而记者采访了解到,这一技术已经在市场上得以产业化应用。以中国科学技术大学潘建伟团队为技术依托的科大国盾量子技术股份有限公司(以下简称“科大国盾”),把量子通信带到了日常生活中,形成了以量子密码通信终端设备、网络交换/路由设备为核心的量子信息安全系统整体解决方案。

  量子通信究竟有多大的市场?方正证券预计,专网市场规模到2017年将达到180亿元左右,专网领域量子通信的市场规模在35至45亿元。在3至5年内,量子通信市场规模有望达到100至130亿元。预计短期催化剂主要包括“十三五”规划等政策层面的推动、政务和军事专网信息安全需求的加强、高校等科研机构产业化动力的增强、量子通信技术在公众通信网的现网测试和小范围应用。

  华泰证券的分析则认为,随着未来量子通信在城域网、城际网、广域网全面铺开,量子通信的应用领域将从目前的金融、政务、军事等客户推广到个人生活,到2030年量子通信市场有望达到千亿元水平。

  目前,工商银行、北京农商行等多家银行率先试用了量子通信加密技术。作为首批用户之一,工商银行数据中心(北京)网络部总经理任长清曾在接受采访时介绍,现在工行试点的部门,就是通过国盾的量子加密技术,将数据从数据中心传输到同城的另一个机房内。“从理论上讲,通过设备产生量子密钥,再对数据进行加密传输,是不会被窃取的,这对金融数据传输是非常有必要的。”

  另外,将在今年年底贯通的量子京沪干线,总长2000多公里,建成后,目标应用于军事、金融、政务等领域信息的安全传输。金融机构、媒体、大型企业,都可以成为量子通信的用户。

  技术推动市场应用“全球领跑”

  走入百姓生活或需再等十年

  发射全球第一颗量子通信卫星,无疑确立了我国在国际量子通信研究中的领跑地位。根据我国量子通信发展规划,量子卫星发射以后,今年底建成“量子通信京沪干线”,国内初步形成广域量子通信体系。到2030年左右,中国率先建成全球化的量子通信网络。而另一方面,量子通信产业在商业市场的接受度仍有待提高。

  今年6月,国家发展改革委印发的《长江三角洲城市群发展规划》,也为量子通信的实用化勾勒了蓝图。其中提出,加快城市群主要城市域量子通信网构建,建成长三角城市群广域量子通信网络。积极建设“量子通信京沪干线”工程,推动量子通信技术在上海、合肥、芜湖等城市使用,促进量子通信技术在政府部门、军队和金融机构等领域的应用。

  “我们的打算是在未来十年内,形成天地一体的全球化量子通信基础设施;形成完整的产业链和下一代国家主权信息安全生态系统;构建基于量子通信安全保障的未来互联网,也就是”量子互联网”。”潘建伟说。

  据了解,我国目前在全球量子通信竞争中能处于领先地位,一方面得益于国家对量子信息领域发展的高度重视,同时也依靠科研工作者取得的一系列重大突破。

  不过,作为一项新兴技术,即使是在技术积累和产业化方案都更成熟的我国,量子通信产业也同样面临着市场培育的困难。目前我国量子通信产业主要应用在军事方面、金融机构和政府部门,商业市场的接受度还有待提高。

  “保密传输一方面给用户带来价值,还能减少泄密时的损失。但由于技术本身对于用户是隐形的,用户很难显性察觉得到,需要通过技术手段知晓量子加密的进程。” 科大国盾相关负责人说,目前绝大多数合作伙伴都是在政府部门指导下,示范使用产品,真正花钱购买、进入商业化还需要一定的市场培育时间。

  量子通信想要真正走入百姓生活还需要一段时间。潘建伟说,“墨子号”发射后,如果效果达到预期,下一步还计划发射“墨子二号”“墨子三号”等,形成“量子星群”。量子通信估计还需10至15年才能进入百姓生活,届时网上银行、手机支付、信用卡等就再也不怕被盗号、泄密了。

  资本市场热捧成“双刃剑”

  产业化需稳步前进

  量子通信广阔的发展前景吸引了资本市场的目光,不少企业积极投资这一新兴产业。然而,也有一些“山寨”公司借量子的名头,在资本市场圈钱。这些公司为了提升股价或尽快上市,大肆炒作量子概念,实际上就是搞资本运作,技术含量不高。一旦这些无技术、无资质、无创新的产品在市场“圈钱成功”但技术失败,可能影响实用化的进一步推进。

  主流统计认为,目前A股市场共有20家左右量子通信概念公司,包括神州信息、三力士、科华恒盛、亨通光电、永鼎股份、华工科技、凯乐科技、新海宜、航天电子、中天科技等公司。例如,浙江东方子公司参股神州量子、投资科大国盾;科华恒盛与宁波建工参股中经云;神州信息承建“京沪干线”工程等。

  记者调研还发现,虽然量子通信技术商业化仅处于起步阶段,但由于市场准入资质、标准制定等都还在探索中,一些“山寨”公司已经开始借量子的名头,在资本市场圈钱,导致鱼目混珠。一旦这些无技术、无资质、无创新的产品在市场“圈钱成功”但技术失败,可能影响实用化的进一步推进。

  业内人士介绍,市面上有一些公司,为了提升股价或尽快上市,就想方设法和正规公司签署协议,甚至只是买了两套设备,拿着正规企业的资料和PPT到处宣讲,炒作自己的量子概念,实际上就是搞资本运作,技术含量不高。最终导致一些金融机构产生疑虑,不利于用户的培育和市场规模的逐步推进。

  对此,业内人士认为,应尽早启动国家量子科研重大专项、组建量子信息国家实验室,以保持我国的量子科研优势地位,推动量子通信加速形成产业化。

  银监会等国家部委的强力支持,是产业化推进的重要因素。7月公布的《中国银行业信息科技“十三五”发展规划监管指导意见(征求意见稿)》中明确提出,紧跟新技术发展趋势,加强前瞻性研究,积极尝试开展量子通信、生物特征识别、虚拟现实、人工智能等技术的应用。积极应用量子保密通信等前沿技术提升网络安全防护能力,对产业化的推动力极大。

  “我们希望能和运营商、广电系统等一起去推进网络的建设。这不能闭门造车,而是要合纵联盟,合作伙伴中有用户、网络运维方、云服务器提供商、设备供应商等。基础设施的加快推进,是未来走向产业化的必经之路。”科大国盾相关负责人预计,量子通信产业在五年内将爆发式增长。

 光子没有静止的质量,据说只有在运动中存在

OFweek激光网讯:来自阿斯顿大学和机械与光学大学的研究人员展示了一种前所未有的制作光学谐振腔的新方法,其制作精度要小于一个氢原子的直径,这个尺寸比目前同类设备目前的制作精度还要小100倍。利用此精度的制作方法,可创造的微谐振器可以使研究人员开发出更复杂的光路并允许工程师使用它用于光的长期信息存储。
  在这项已发表于《光学快报》杂志上的研究中,MichaelSumetsky和NikitaToropov描述了以这种方式制作的瓶状谐振器,它们之间的尺寸差异不超过0.17埃。这种大小的变化比氢原子的直径还要小10倍,小于一个纳米的100倍。相比之下,目前的微谐振器的制造精度仍在纳米测量。这种制造精度的飞跃,可以显着提高未来的光学器件的效率。
  光子没有静止的质量,据说只有在运动中存在。这是利用光进行信息存储的主要障碍之一。不能使光子停止。然而,由光子携带的数据流是有可能被延迟的,例如通过一系列的为微静电谐振器进行捕获光束。
  一个瓶状的微谐振器是一个微小的增厚的光纤。在这样的微信号的延迟是由于“回音壁”效应:一旦光在微谐振器里面,光波就会在壁上发生反射并开始循环。由于微谐振器的球形形态,光可以运行相当长的时间,大大减缓了光子从一个谐振腔到另一个沿光纤谐振腔的运动时间。
  光的方向可以通过改变微谐振器的形状和大小进行调节。然而,在这些参数中的任何变化都必须是非常微妙和精确的,因为即使它的表面上的最轻微的缺陷,也会使得光束发生破坏。“当光传输很长一段时间后,它开始影响到光的本身,”MichaelSumetsky说。“如果在微谐振器的制造过程中发生错误,我们将会失去了对系统的控制。这就是为什么有两个要求,必须满足:微谐振器的尺寸最小偏差和低的光损耗。我们研究中的这种微谐振器恰好符合。”
  值得注意的是,这个技术不是基于任何现有的方法,而是创建一个完全新的谐振器的方法。“我们不打算改进任何现有的技术,而是利用我们自己的方式进行制作,”NikitaToropov说。“我的合著者Sumetsky教授,值得把这一成就归功于他。几年前,他创造了一种制作微谐振器电路的新的技术平台,称为SNAP(表面纳米级轴向光子学)。”
  SNAP方法的本质在于通过激光控制引入不均匀性到纤维表面。这种激光不会熔化纤维是至关重要的,但通过褪火去除内部的冷却应力。当这些应力消失,纤维会发生一点膨胀,微谐振器就会形成。
  这种新技术的一个重要的优点是它的简单性。“我们的技术不需要真空,实际上几乎是免费的一种‘加湿’的过程,这大大降低了成本。但最重要的是,这是迈向全光器件,将提高数据传输和处理的质量和提高能源效率的一步,”NikitaToropov说。
  根据研究人员的说法,用输入光到拉成锥形的光纤腔纤维的脆弱性是一个挑战。“这种纤维比头发细50倍,”NikitaToropov说。“这是很容易打碎的,所以我们不得不反复重新实验的。因此快速的制备超细纤维仍很遥远。”
  现在,研究人员正计划继续制备先进SNAP设备的技术的发展,其应用范围覆盖从超灵敏的检测设备到量子计算机等。

世界首台量子计算机诞生,仅由五个原子组成

科学家构建出第一台可编程的量子计算机。它仅由5个原子组成。科学家认为,这是迈向制造出实用价值的量子计算机的重大一步。
据《自然》近日报导,美国马里兰大学的研究员沙塔木·德布纳特(Shantanu Debnath)等人展示了一个可以编程的微型量子电脑,用五个囚禁的原子离子充当量子单元(qubits,也称量子比特)进行计算。原则上这种结构可扩展至更多量子单元。
另据澳洲科技网站sciencealert报导,量子计算机的功能要比传统计算机更为强大。传统计算机的算法基础是0或1的状态,而量子计算机的运算基础是量子单元不仅含有0或1而且还有0和1共同存在的状态。
世界首台量子计算机诞生,仅由五个原子组成研究者使用激光作为量子计算开关
因此,量子计算机的计算速度快,有些计算可在一步完成,而传统计算机需要数次运算才能得到结果。
以前其他组织制作的小型量子计算装置智能解决单个问题,而且需要复杂的物理学编程步骤。这台量子计算机不同,编程简单,一次可以完成三个运算。
马里兰大学的科学家称这台量子计算机为“模块”(module),使用激光开关操控量子单元,其基本运算的精确率约为98%。德布纳特说:“目前没有其它量子计算具有这种灵活特点。”
世界首台量子计算机诞生,仅由五个原子组成

目前,研究者正在尝试增加量子计算单元,计划增加至100个量子单元。研究者希望制造更好的量子计算机,其操作功能像智能手机那样简单,而无需复杂的量子编程。
研究主持者克里斯托弗·蒙罗(Christopher Monroe)说:“对于任何计算机来说,使用者无需知道计算机内部的事情。几乎无人关心iPhone在执行功能时机器内部的具体运行情况。”

量子通信与量子计算机、脑科学与类脑研究

事件:2016年8月8日,国务院发布《“十三五”国家科技创新规划》,主要明确“十三五”时期科技创新的总体思路、发展目标、主要任务和重大举措,是国家在科技创新领域的重点专项规划,是我国迈进创新型国家行列的行动指南。

点评:

启动“科技创新2030—重大项目”,人工智能入围。规划指出面向2030年,选择一批体现国家战略意图的重大科技项目,近半数与信息科技密切相关(量子通信与量子计算机、脑科学与类脑研究、国家网络空间安全、天地一体化信息网络、大数据)。其中,脑科学与类脑研究项目中明确指出将“以脑认知原理为主体,以类脑计算与脑机智能、脑重大疾病诊治为两翼,搭建关键技术平台,抢占脑科学前沿研究制高点”。规划还专门强调建立重大项目动态调整机制,在地球深部探测、人工智能等方面遴选重大任务,适时充实完善重大项目布局。

明确人工智能作为发展新一代信息技术的主要方向。规划在围绕新一代信息技术等十大领域构建现代产业技术体系中明确指出“发展自然人机交互技术,重点是智能感知与认知、虚实融合与自然交互、语义理解和智慧决策”。

设立人工智能及智能交互专项,要求“重点发展大数据驱动的类人智能技术方法;突破以人为中心的人机物融合理论方法和关键技术,研制相关设备、工具和平台;在基于大数据分析的类人智能方向取得重要突破,实现类人视觉、类人听觉、类人语言和类人思维,支撑智能产业的发展,并在教育、办公、医疗等关键行业形成示范应用。”人工智能是整个规划中高频出现的关键词之一。规划除《科技创新2030—重大项目》、发展新一代信息技术之外,规划专门提出大力发展引领产业变革的颠覆性技术,再次强调了人工智能的重要性:“重点开发移动互联、量子信息、人工智能等技术,推动增材制造、智能机器人、无人驾驶汽车等技术的发展”。同时,人工智能成为以战略高技术建立保障国家安全和战略利益“深蓝”计划的核心。

投资建议:国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》,人工智能成为重中之重,再次体现了国家顶层设计对人工智能这一引领产业变革的颠覆性技术的高度重视,我们坚定看好在这一代表国家战略和产业变革的方向前瞻布局的企业,持续重点推荐东方网力、同花顺、科大讯飞、思创医惠等。

风险提示:规划落地不及预期。

中国将构建全球量子通信网络

OFweek 光通讯网讯:中国已经开始在多个城市建立量子通讯网络,目前已经开始了连接北京和上海的1000公里量子通信线路的建设。
  根据相关报道显示,基于量子物理学的原理,量子通讯提供了一种全新的方法处理信息,包括编码、存储、传输和逻辑运算,以及光子、原子等微观粒子的精准操控。
  中国科学技术大学量子物理学家和教授潘建伟表示:“传统的通信加密和传输安全,都依赖于复杂的算法。但是随着计算能力的增加,这种复杂的算法在某种程度上肯定是会被破解的。”
  由于量子光子既不能被分离,也不能进行复制,因此量子通信拥有超高的安全性。正是因为如此,通过量子通信传输的信息才无法被窃听、截取或者破解。
  2007年,潘建伟带领他的团队通过光纤在超过100公里的距离实现了安全量子分布。2008年,他带领的团队构建了全球首个全量子通信网络,并在2012年构建了首个大规模量子通信网络。
  中国将在今年7月推出首个科学实验量子通信卫星。同时也将是世界首个。
  潘建伟预测,或许能在不到十年的时间内创造出一个特殊的量子计算机或者量子模拟器,其计算能力要比传统的计算机快百亿倍之多。

三星与TCL加大投入量子技术

美国社交网站Facebook创办人扎克伯格有了娃后,频频登上新闻头条,除了近期的“裸捐”,他在Facebook上晒出为女儿读书的照片也在社交网络炸开了锅。作为一名科技圈大拿,扎克伯格给娃选的第一个书,名叫《quantum physics for babies》,翻译过来是《给宝宝的量子物理》,给刚出生的宝宝读量子物理?众多父母都傻了眼,扎克伯格完美地诠释了如何在炫父爱的同时秀智商!

作为量子物理界的权威,MIT的Seth Lloyd教授认为:“虽然很多人都无法理解量子物理,但新出生的婴儿恰恰是最能理解量子物理原理的人。”他解释说,在成人看来,一个物体如果没有外力作用的话,它是不会挪位置的,但婴幼儿不理解这些,在他们眼里,一个隐藏的物体可以存在于任何位置,而这也是研究量子物理的基础(文章Peekaboo Reveals Babies Can Understand Quantum Mechanics)。“量子化的直觉“,也被称为婴儿天生的五大最不可思议的技能之一(文章5 Incredible Baby Skills),其余技能为水性、学习能力、韵律感和聪明。

既然量子学这么深奥,为什么还有那么多人愿意去研究它呢?不仅仅是为了探究微观世界本源,满足人类的原初好奇心,实在是因为量子学超!级!实!用!

比如前几天就有新闻宣称,谷歌和NASA共同研究的量子计算机,计算速度是传统计算机的1亿倍。

虽然量子技术如此复杂,让人累觉不爱,但人类对量子技术的研究也绝不会停止,因为它能颠覆整个世界。

比如,量子计算可以让天气预报更准确,通过量子计算机运算可以让我们跟堵车永别,还可以推动生物制药发展,轻松绘制出数以万亿计的分子组合模式,从海量可能性中迅速确定最有可能起效的组合,大大节省研发成本和时间。

总之,量子技术可以让我们的世界发生质的飞越,日常生活的方方面面都会被彻底改变。11月11日,世界上第一种使用Quantum Film技术而非硅材料来捕捉光线、将光子捕捉效率极大提升的图像传感器“Quantum13相机传感器”由美国一家公司InVisage “量宏科技”首创并推出,并且已经在高通和联发科技芯片平台上运行。

熟悉科技产业的公众都知道,一次基础性的材料创新,将会带来不可估量的辐射效应。最著名的例子,就是半导体材料的突破性进展,尤其是其中硅单晶材料的创新,成功推动了高度发展的集成电路技术成熟化,为今天先进的计算机、智能手机等电子设备的诞生,提供了可能性。此外,我们日常生活中不可缺少的宽带网、4G网等,无一不是建立在基础材料创新之上实现。因此,撇开基础材料谈创新,就犹如无水之鱼,不切实际。

清华大学高级工程师、电视显示技术专家万博泉在接受采访时表示,量子显示技术是一种新型显示技术,由于其使用无机半导体材料,所以具有提高画质、延长使用寿命等优点;另外一个优点是其节省了能量,减少耗电。

量子材料是肉眼看不到的极其微小的无机纳米晶体,把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构,具有与众不同的特性,每当受到光或电的刺激,便会发出非常纯净的有色光线。目前,使用量子材料的背光源成为了色彩最纯净的背光源,正是由于这一神奇特性,使其在显示领域、太阳能电池、发光器件、光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。

有行业人士指出,量子材料是诺贝尔奖级别的技术结晶,是目前科技领域最前沿、最尖端的基础材料之一,其每一次的创新,都会对社会、经济产生直接或者间接的巨大影响。”事实上,量子显示技术已经在电视产业上开始落地,电视产业有望成为量子显示技术大爆发的源动力。

业界把2016年当作量子显示技术发展的关键时期,据悉,三星与TCL等公司将加大量子显示技术的投入,量子技术在电视、手机、平板电脑等显示屏幕上的运用将越来越广泛。

人工智能能靠量子超越人类?

编者按:量子计算机和人工智能有什么关系?提前剧透一下,量子计算机天然的带有机器学习的属性,将更有利于推进人工智能的发展。再考虑到量子计算机海量的数据处理能力,即便是模仿人类的神经网络的各种互动,也会比现有计算技术拥有更多优势。然而人工智能想要超过人类,终究是一个极其复杂的命题。一起来看一看作者的思路吧。

如果能时光穿越,智库也许不会错误地将美国两次拉入伊拉克战争!更不会有ISIS猖獗和今日中东乱战!因为有了量子计算机,这个能并行运算分析复杂系统问题并辅助决策的“神器”!

首先回顾下公众号“jcibas”双11刊曾预测过的答案,这个超越的时间点将是2045年。(如下图)

我们套用用量子计算的思维解答“人工智能将超人类”问题,下文得到的是一堆近似的答案,我们将进行探讨。

量子计算方式的突破性革命,人工智能将如虎添翼!量子计算更靠谱、更聪明、处理能力更强、更具自我学习、自我编程能力。——漫修远

量子计算的多样性答案和高置信度特性——更靠谱的计算

量子计算的特性就是不确定性。没错,只有一堆的最佳解决方案才是复杂系统的匹配方案。量子计算返回多个答案,其中一些可能是你正在寻找,另一些则不是。这初看像是坏事,但返回答案越多,意味着计算机的置信水平越高!换言之,即更靠谱。

量子计算机的高运算处理能力——运算硬实力

现在的计算机毕竟是二进制的(俗称经典比特),一遇到比较复杂的建模,像准确预测天气,预测更长时间后的天气等等,就会很费力费时;

量子计算D-Wave 2X 系统,在1000个量子比特时,能同时搜索2∧1000(2的1000次方)个可能的方案!可以同时一起展开“并行计算”,从而使其具备超高速的运算能力。

量子计算机能自我学习——更聪明的计算

量子计算也被称为AI co-processors (人工智能协处理器),非常适合人工智能AI及机器学习。

机器学习 machine learning 即授于计算机研究世界并不断从经验中学习的能力。它是人工智能领域的一个分支。

通常,我们编写的代码中的大部分都是相当静态的,即给定新数据,它仍将执行相同的计算,一遍又一遍,并作出相同的错误结果。

使用量子计算机器学习,系统可以设计程序,修改自己的代码,机器可以不断学习新的方法来处理它之前未遇到过的数据。

比如传统的计算机去无法识别它之前从未接触的新图像,因根据传统的计算架构,设计遵循非常严格的逻辑推理。而量子计算机的处理器就非常适合此类需要先质疑,后决策的高级任务!

形象点比喻,相当而言,传统计算是「一根筋」,而量子计算是「活脑筋」。

AI机器学习通常按已知的算法即监督学习法supervised learning algorithm进行的。下图所示谷歌AI实验室在2013年采用了512量子比特的系统,主要应用于帮助科学家建立更有效而精确的的AI模型,用于诸如从语音识别、网页搜索到(生物化学的)蛋白质折叠(模拟)。

到本月8日,运用1000个量子比特的D-Wave 2X系统谷歌试验室的声明,证实了量子计算比传统计算最高快一亿倍的事实。

量子计算机能自我编程——与时俱进的运算

量子计算通过允许编写自己的能量程序,让系统调整能量程序直到上图所有标签显示是正确为止。这也被称为“训练”或“学习”阶段。

注:能量程序 energy program 如下图所示,是量子计算特有的。

即量子在运算之初未定性状态到运算接受的定性状态的程序。

注:图中的‘-1’和‘1’是例举开关灯游戏里的数值,ON = +1 ; OFF = -1

量子比特计算罗斯定律增速>经典比特计算摩尔定律增速——当1亿被忽略不计

量子位数量每年翻番”的别称是罗斯定律,这是用定律的提出者D-Wave的创始人罗斯名字命名的定律。(谨慎起见,我们也称之为罗斯假设)

视频中,我们看到,量子计算基本按照每年翻倍的速度持续增长。

而摩尔定律是:集成电路芯片上所集成的电路的数目,每隔18~24个月翻倍。

如果罗斯假设成立,以2015年1000个量子比特芯片,每年翻倍的话,按量子计算方法论,我们得出可能的众多答案之一:

2015年1000个,2016年2000个,2017年4000个,2018年8000个,2019年16000个,2020年32000个,2021年64000个,2022年128000个,2023年256000个,2024年512000个,2025年1024000个,2026年2048000个…到2026年约2百万个量子比特芯片诞生。届时,量子计算机能同时提供2∧2048000个解决方案,这个数字足以撑爆小编PC的计算器。

2∧204≈2.57*10^61

2∧2048≈3.23*10^616

2∧20480≈1.24*10^6165 (PC机计算机算到此爆表)

作者推断2∧2048000≈ 1后面约有61万个0,我们常用的大计数单位‘亿’,1后面8个0,根本可忽略了。

最后我们团队的数学工程师Fishy Yu,编制了开发者小程序,给出了确切答案:2∧2048000≈ 2.69848*10^616509

欢迎来到量子计算的疆域,其实也意味着您已进入一个海量数字的世界!

工程师Fishy Yu,一开始还诧异,做什么项目需要算这么大的数字? 是啊,目前这个传统计算的世界,接触这类海量数字的机会并不多。

当然,罗斯假设的正确性,是否需要修正,有待时间检验。以上也只是数学推断。也是众多量子计算最佳答案之一,如年份和量子比特数量顺序错开,可能得出2030年得到2∧2048000量子比特芯片等多种答案。

推论至此,量子计算运用于仿生计算机的应用呼之欲出!

仿生计算机的提出是为了解决如何构建大规模人工神经网络的问题。传统计算的CPU/GPU处理神经网络效率低下,如谷歌大脑的1.6万个CPU运行7天才能完成猫脸的无监督学习训练。谷歌大脑实现模拟人脑的突触数量仅为100亿个,而实际的人脑突触数量超过100万亿。采用CPU/GPU的通用处理器构建数据中心,占地、散热以及耗电等都是非常严峻的问题。

100万亿,对于量子计算这个1亿可被忽略不计的时代,海量数据处理根本不是问题,换言之,到那时随着量子计算系统的不断自我学习迭代程序,人工智能超越人类,也水到渠成了!

最后,从量子计算的视角,让我们回顾一下2000多年前,老子在《道德经》这句名言,

“道生一,一生二

二生三,三生万物”。

注:文中有关量子计算事实的描述均引自D-Wave 官网。