月度归档:2011年09月

量子计算机变成现实了吗?

    • 量子计算变成现实了吗?

      研究人员致力于研究量子系统已经十多年了,他们希望通过量子系统研发出体积更小、功能更强大的计算机。尽管量子计算的研发工作已经取得了大量令人鼓舞的成绩,但是研发过程中出现的一些重大障碍使得部分人质疑量子计算能否走出实验室,投入实际使用。如果你还不知道量子计算是什么?那么以下这组幻灯片可以让你对量子计算有个大致了解。我们在幻灯片中还将为你展示由加拿大D-Wave Systems公司研发的量子计算机

      网界网也有对量子计算进行过报道,详情请见http://www.cnw.com.cn/news-international/htm2011/20110928_234702.shtml
    • 什么是量子位?(qubit)

      这里是单个量子位的原理图,展示的是态叠加(磁场指向上和下)。一个叠加可被看作一个信息单位,其还未被确定是0还是1。

      量子位( qubit )是量子计算的理论基石。
    • 不一样的回路

      这是一张超导体材料的8个交互回路的示意图,每一个都代表D-Wave处理器中的一个量子位的位置。量子位在回路穿过的蓝圈那里被连接起来。

      量子位的加入改变了处理器的节构。
    • 处理器布局

      这是一张处理器布局的示意图,展示的是在处理器电路(蓝色和黄色部分)中的量子位回路(粉色长条形部分)。

      新处理器节构的新布局。
    • 经过装配的晶圆

      这张照片展示的是处理器在D-Wave公司超导标准工艺加工线被装配出来后在晶圆上未被切割前的样子。

      原始晶圆的样子。
    • 主板

      这是一张处理器已经被装配在量子计算机相关电子器件上的照片,这些电子器件相当于主板,允许信号访问芯片。

      繁杂的主板。
    • 处理器被封装在了一个特制的容器内。为了让芯片能够产生量子效应,该容器的温度可被冷却至绝对零度。
      可耐超级低温的封装。
    • 稀释制冷机

      处理器和其封装容器需要特殊的冷却设备。这种冷却设备就是人们熟知的稀释制冷机,其作用是提供运行所需的极低温环境。处理器还需要经过特殊防护,以防止有害的磁信号破坏量子计算。

      提供超低温的冷却设备。
    • 监控冷却气体

      量子计算所需的专用设备指那些将作为云计算资源被运行并被内置在特殊的数据中心的系统。这里展示的是计算机自身的控制系统,其作用是监控流经计算机制冷设备的冷却气体。

      冷却设备的监控系统。
    • 准备处理器运行环境

      图中展示的是正在进行测试的D-Wave公司研发人员。她的任务是在计算机被冷却和被编程前准备处理器的运行环境,以确保所有的系统都在正常工作。

      量子计算机的运行环境里需要专人管理,保证无误工作。
    • 瞧!128个量子位的Rainier芯片

      D-Wave产品的最终样子,这就是采用了128个量子位的Rainier芯片的D-Wave One量子计算机。(范范编译)

      量子计算在应用层面还有很多障碍,这都需要不断的研究。量子计算能否真正实现,我们拭目以待!

谈谈我所知道的量子信息

看到半斤酒和科大id吵量子信息,感到有点意思,就冒个泡,说说自己知道的量子信息

量子信息本身既不是伪科学,也没有媒体吹得那么神奇,什么隔空传物,轻易实现大数分解,或者根本不是那回事,或者没那么简单。量子信息基本包括量子通信和量子计算两大方面,就理论难度而言,量子通信的理论门槛并不高,本科的量子力学都足够了,量子通信的基本理论原理就很简单,还有量子不可克隆的数学证明亦是如此,本科生就能轻易看懂,所以现在在国内做量子信息的人很多,包括很多师范学院的,很多论文自然没什么深度,不值一提,不过确实养活了不少人。当然,理论要做深了,和计算理论相结合,比如应明生做的那些,就不是普通人玩得起的了。

再说说量子信息的简史吧。量子计算的原始概念第一次是由大物理学家Feynman在某次演讲中提出的(在他之前有Holevo、Ingarden还有几个俄国人也提出过不成形的量子信息的想法),他提出用量子系统本身来模拟量子现象的想法,这是因为模拟复杂量子现象所需要的经典计算机耗费的资源和时间都已超过了人类能提供的极限,这就涉及到经典计算机(基于图灵机这样的数学模型)的计算极限问题。在那时之前,对计算机(图灵机)的计算能力的估计都是以strong Church-Turing thesis为依据,即图灵机可以有效模拟任何算法过程。这里特别要注意这个有效一词,指的是模拟所需要的时间和资源至多是问题输入字符串的长度的多项式函数,即不能随着输入长度指数增加。随着概率性算法的引入,strong Church-Turing thesis又被进一步加强,即概率性图灵机可以有效模拟任何算法过程。由于量子现象本身特有的几率性,David Deutsch提出用量子力学理论推导出比Church-Turing thesis更强的论题,在此基础上他第一个提出了量子图灵机的或者说量子计算机的数学模型,虽然现在看来还是比较粗糙的,随后,1990年,发现了在经典计算机上没有已知有效模拟的系统可以用量子计算机来有效模拟。量子计算机的计算能力至少是不弱于经典计算机的,因为量子计算机上运行的算法等同于可逆计算(因为量子现象都是可逆的),而任何经典计算机上运行算法都有与之等效的可逆算法,所以,量子计算机至少不差于经典计算机。

在上个世纪90年代,在基于量子图灵机的模型上出现了两个轰动一时的量子算法,一个是1994年Bell实验室的Peter W. Shor提出的大数分解量子算法和求解离散对数问题的量子算法,大数分解在经典计算机上实现还是NP问题,即只有时间复杂度是输入长度指数长的经典算法,而Shor提出的量子算法是多项式时间复杂度,尽管这是个概率性算法,即有一定的出错几率,但因其对于当时银行及网络等处的RSA加密算法构成潜在威胁而轰动一时,值得指出的是Shor当年是中学生数学国际奥赛(IMO)的银牌得主,他本人也因为这个算法而获得1998年国际数学家大会颁发的Nevanlinna奖。另一个著名算法就是1996年一个印度人Grover提出的无序数据库的搜索算法,即著名的Grover量子搜索算法,这个算法本身并非有效算法,但比经典算法快得多,做到了所谓的二次加速,几年后清华龙桂鲁对这个算法提出了一个漂亮的几何解释和修改,后来被称为Grover-Long算法。再说个八卦,Grover本人比较mean,写文章经常只引自己的。

以上两个量子算法的提出有力地证明量子计算机比经典计算机更为强大。但是一个问题是:量子计算机是否在计算能力上比经典计算机有本质性的提高?所谓本质性的提高就是指所有在经典计算机上还没有多项式算法的问题,比如NP问题,是否在量子计算机上有多项式算法?大数分解以及其他问题仅仅是某几个特定问题,或者是概率性量子算法。Grover搜索算法提出后一个重要后果就是大家都试图提出一个具有多项式时间复杂度的量子搜索算法,这样就可以一劳永逸地证明了NP问题都有多项式量子算法,也就证明量子计算机在计算能力上和经典计算机比根本不是一个层次的,有本质的提高。很不幸,当时提出的算法都被一一证明不是多项式算法,因此量子计算机在计算能力上是不是比经典计算机有本质的超越现在还不知道,至少就本人的了解看是这样

 

研发量子计算机:让单个电子在两点间往返运动的方法

新华网伦敦9月22日电(记者黄堃)英国研究人员在新一期《自然》杂志上报告说,他们找到了一种让单个电子在两点间往返运动的方法,就像在打电子“乒乓球”。这一进展可能成为研发量子计算机的重要一步。

通常情况下,电线传导电流时单个电子在其中并不是直线往前移动,而是在一大群电子中挤来碰去,曲折前行。这种情况下,其携带的量子信息可能会丢失。打个比方说,就好似在一个聚会中,如果要从房间这头走到那头,中间可能要绕过不少人,还可能被熟人拉住打招呼,而不大可能径直走过去。最终你很可能到了房间那头,却忘了自己本来想找谁说什么。

怎样保护电子携带的信息不丢失呢?仍使用聚会的例子,你可能会想到建立一条特殊通道,比如从人群头顶上直接“飘”过去。英国剑桥大学研究人员这次就为电子找到了一个“飘”过去的办法。

 

研究人员在砷化镓材料中构建两个量子点,两点之间建立起一个高能通道,电子在其中运动,就相当于“飘”过了其他电子,然后研究人员成功地把单个电子通过高能通道从一个量子点发送到另一个量子点,接着再把这个电子拍回来。如此往复约60个回合,没有失误。

领导研究的克里斯·福特说,以这种方式运动的单个电子较少受干扰,有利于保持其上所携带的量子信息,在量子计算机的设计中,可以用这种方式来构建处理器和存储器等部件之间的通信线路。

 

量子大规模集成电路或指日可待

据美国物理学家组织网9月2日报道,美国加州大学圣芭芭拉分校的科学家宣布,他们通过量子电路成功实现了冯诺依曼结构,证实了这种经典计算机结构在量子信息处理领域的价值,未来量子大规模集成电路或指日可待。相关研究发表在《科学快讯》杂志网络版上。

 

冯诺依曼结构也称普林斯顿结构,是一种计算机设计结构。其要点是:计算机采用二进制方式运算;处理器使用同一个存储器,经由同一个总线传输;计算机至少要具有存储器、控制器、运算器和输入输出设备。该结构确定了现代电子计算机的基本机构,从世界上第一台现代电子计算机埃尼阿克到当前最先进的计算机几乎都采用了冯诺依曼结构。

加州大学的研究小组将一个长寿命量子随机存储器编程为一个量子中央处理器,并与其他组件一起安装在一块芯片上,形成了一个经典的计算机结构。该电路包括两个量子位(量子比特)、量子总线、二位的量子存储器和重置寄存器。所有的硬件都基于超导量子电路,在一个极低的温度下运行,以保证免受其他干扰因素的影响。

加州大学圣芭芭拉分校的玛图·玛瑞安图米说:“在新的量子计算机架构上,我们已经探索了将量子信息写入内存的同时进行其他量子计算的可能性。目前该平台已经能够执行量子傅立叶变换和三量子比特Toffoli门——这是考量量子计算机计算能量的关键。”

玛瑞安图米说,虽然与传统计算机相比,该研究只是非常小的一个进展,但鉴于一台量子计算机可以同时进行大量计算,具有比传统计算机强大得多的运算能力,这也是值得欣慰的。(王小龙)

 

单量子位处理量子信息最低出错率

ugmbbc发布于 2011-09-05 23:45:24|

新闻来源:科技日报
美国物理学家获得有史以来单量子位处理量子信息的最低出错率,首次满足量子计算机的理论要求。 一般认为,在量子计算机中,每1万次逻辑操作中出现一个错误,就算是比较低的了,用计算机的纠错协议就足以纠正。

而最新实验中,美国家标准与技术研究院(NIST)的科学家们获得的出错率为:每5万个逻辑操作中出现一个错误。这表明人们可以有效地控制单量子位的操作。

科学家们使用了单个铍离子量子位进行简单的量子逻辑操作,但却改进以往的方法——采用微波而不是常用的激光束来操作离子,减少了激光束的指向、能量不稳定及自发生离子发射所导致的错误;又将离子陷阱置于一个铜真空室内,并使用氦浴将其冷却到4.2卡尔文(约零下269℃),以减少实验室中磁场波动所引起的错误。

最后,科学家用计算机软件随机挑选出了1000条不同的逻辑操作序列,对其进行了检验。而测试结果呢?几乎可与完美的理论结果相媲美。

 

十大最不可思议计算机

据英国《新科学家》杂志报道,现今的计算机技术发展日新月异,但科学家们还是试图拓宽新型计算机的开发领域,近年来研制出光子计算机、量子计算机、DNA计算机等十大不可思议的奇特计算机.

 

光子计算机

1、光子计算机

通过光编码数据并不奇怪,目前全球通讯系统是基于光纤技术。但是使用光信号实际处理数据资料,并进行计算处理却并没有实际应用。

光子计算机是一个值得努力实现的目标,其原因是使用光可增加计算机的处理速度以及可处理的数 据质量,但是获得、存储和处理光是非常困难的。像美国伊利诺斯州立大学的保罗?布劳恩等研究人员目前正积极进行该研究。他在光子晶体外建立了3D光学波 导,这可能会获得光,使光在锐角转角减缓速度并发生弯曲,而不必担心光的逃逸。

其间,美国哈佛大学的米克海尔?卢金研制了一种光学型晶体管,能够成为现今计算机的能量源。卢金和同事们已建立了使用单一光子从光信号中分离出来的通道,该通道可以转换另一种光信号开启或关闭。

 

量子计算机

2、量子计算机

如果你想破坏传统计算机计算处理规则,量子计算机将实现这一点。量子计算机不使用1或0的电子比特信息,而采用量子机械效应而建立量子比特。

量子计算机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。

计算显示,量子计算机有能力执行许多平行计算。当量子计算机中量子比特数目增加时,数据将以指数级增长。这将实现现今计算机难以实现的计算处理,比如:快速因式分解较大质数裂化密钥。

然而,量子计算机迄今仅有非常小数目的量子比特,其使用量子圆点、核磁共振、金属离子。

 

DNA计算机

3、DNA计算机

DNA将是一种用于执行计算的完美材料,在某种意义上,DNA处理数据和运行程度存储在排序普通碱基对DNA中,处于调整状态蛋白质处理信息就如同DNA有机体维持存活一样。

第一个将DNA用于计算处理的是南加州大学伦纳德?阿德勒曼,1994年,他使用DNA解答了著名的“7点哈密尔敦函数通道”数字问题。从此之后,DNA能够用于建立逻辑门和挑战tic-tac-toe游戏。

由于DNA分子具有强大的并行运算和超高的存储能力,DNA计算将可能解决一些电子计算机难 以完成的复杂问题,而且也可能在体内药物传输或遗传分析等领域发挥重要作用。虽然DNA计算未来潜力无穷,但是当前仍然有许多瓶颈技术和基础问题需要解 决,其中基于DNA分子的逻辑门就是实现DNA计算的一个重要基础。

近期,DNA计算机的狂热者对建立像人体内的生物学系统非常感兴趣,这样的研究非常有意义,其原因是它的装配性非常好,与传统计算机相比,能够将计算机缩小至最小化,而且便于运行计算处理。

 

可逆计算机

4、可逆计算机

许多人思考我们应当循环利用比特,就如同再循环利用垃圾一样。计算机硬件公司长期以来试着减少计算机的能量消耗,一种不同寻常的方法是由“可逆”工程芯片实现的。

正常地每个计算操作会失去一些比特信息,也可表现为丢弃能量。可逆计算机的目标是重新获得并使用这些能量。由美国佛罗里达州立大学迈克尔?弗兰克设计的可逆计算机通过逻辑门能够实现逆行运算。

每一个计算操作包括向逻辑门中输入数据,然后逻辑门出产输出信号,从而代替丢弃能量的信号。弗兰克设计的可逆计算机在每一个计算运行之后逻辑门实现逆行运算,输出信号返回的能量开启执行新的输入信号。

 

撞球计算机

5、撞球计算机

数据计算处理可通过光在分子至分子间内部进行连锁反应实现,这对用于一些计算处理的连锁反应非常具有意义,甚至可用于多米诺或大理石弹球进行计算。

这种计算机的逻辑门是由仔细安排的多米诺或斜道石弹球滚动实现的。该计算机虽然比较特殊,但 却相当于几英亩大小面积的无数强大微处理器所实现的功能,除非石弹球或多米诺骨牌非常小。IBM公司研究人员采用层叠原子像撞球彼此运行作为逻辑电路,像 这样的逻辑门仅能使用一次,但是其意义却意味深长,它比现今最小的晶体管都要小。

 

神经细胞计算机

6、神经细胞计算机

当一些研究人员借助已经成功的理念,为什么还称这是计算机技术开发的起跑线呢?目前,研究人员希望能够借助人体的自然力量建造特殊的计算机。

美国芝加哥西北大学费迪南?穆萨?伊瓦尔迪展示了如何利用七鳃鳗的一些脑细胞控制一个机器人。七鳃鳗是一种像鳗鱼的原始脊椎动物。这些脑细胞可控制机器人跟随着光源移动。但这并不是第一次使用动物的大脑进行神经细胞计算机实验。

神经细胞计算机被称为第六代电子计算机,它可以模仿人的大脑判断能力和适应能力,并具有可并 行处理多种数据功能的神经网络计算。与以逻辑处理为主的第五代计算机不同,它本身可以判断对象的性质与状态,并能采取相应的行动,而且它可同时并行处理实 时变化的大量数据,并引出结论。以往的信息处理系统只能处理条理清晰,经络分明的数据。而人的大脑却具有能处理支离破碎,含糊不清信息的灵活性,神经细胞 计算机将具有类似人脑的智慧和灵活性。

目前,美国国防部高级研究计划署通过在飞蛾大脑植入的电极,建立了远程控制的半机械飞蛾。

7、磁共振计算机

每杯水都包含着一台“计算机”,如果你正确理解磁共振运行原理。英国约克大学苏珊?斯特普尼和同事使用强磁场(核磁共振)对分子间的互相影响作用进行控制和观测。这种方法可呈现3D信息,也可使用分子形成互相影响的自然动力学。

如果该理论被证实是可能实现,可使用水分子模拟我们复杂的大气层。迄今为止,研究人员仅能实现该运行计算的理论性,当前只处于基于水的磁共振计算机。

8、Glooper计算机

其中最怪异的就是Glooper计算机,该计算机的建造抛弃了传统计算机的硬件配置,而是通过建立“gloopware”实现运行计算能力。英国西英格兰大学安德鲁?阿达马特兹基能够在化学粘性物质中建立传播离子干扰波,其行为就像形成逻辑门,成为构造计算机的积木块。

这种传播离子干扰波可由一种叫做“Belousov-Zhabotinsky”的脉冲通过循环化学反应生成。阿达马特兹基展示这种化学反应的逻辑门可使一个机器人手臂搅动混合剂,当机器人的手指搅动混合剂刺激化学反应的发生,随后产生的化学反应将控制机器人手臂的运动。

9、霉变计算机

即使像粘土这样的原始有机体也可以用于解决传统计算机的问题,日本名古屋物理化学研究协会Toshiyuki Nakagaki展示粘土的霉变反应可以解决抵达迷宫的最短路径。

这引起了计算机科学家的浓厚兴趣,他们认为粘土的霉变反应可以解决类似于“售货员行程”的问题,在该问题中要求售货员在空间几个售货点之间确定最短的销售行走路程。这种问题在传统计算机上很难实现。

10、水波计算机

或许感觉最不可能实现的就是计算运算能力在水池的波纹中实现。英国苏塞克斯郡大学两位研究人员使用一个波动水箱和一个高架摄像仪,通过波形生成一个“或逻辑门”或“异逻辑门”类型。

 

十大将改变世界的奇思妙想之“量子计算机”

量子计算机 微型芯片上的晶体管数量自20世纪50年代以来几乎每两年增加一倍:这种趋势称作摩尔定律。但是,晶体管的微型化却有限度。因此,量子计算机可能最终进一步提高处理速度。

量子力学告诉我们,原子可以同时处于两种状态。这意味着与如今计算机里为信息编码的简单的“1”和“0”不同,原子尺寸的处理器可以同时储存并处理“1”和“0”。这种能力将使超高速的量子计算机同时解决问题,大大提高处理速度。

加利福尼亚大学圣巴巴拉分校的一个科学家团队最近宣布创造出一个量子芯片,他们认为这个芯片日后可以升级解决现实问题。

 

量子计算机取得两大突破 更接近于现实

【美国《大众科学》网站9月2日报道】题:两个关键进展使量子计算机比以往更接近于现实

美欧两个大陆的研究人员今天报告在量子计算方面取得两个重大突破——一个建立在众所周知的冯·诺伊曼处理器-存储器结构上的量子系统和一个建立在量子计算机平台上的数字化量子模拟器。虽然这些进展仍然仅限于实验室使用,但是它们又是一个迹象,表明计算的量子飞跃可能就在眼前。

在第一项研究中,加州大学圣巴巴拉分校的研究人员说,他们制造出基于冯·诺伊曼系统的量子计算机芯片。冯·诺伊曼结构以发明这种概念的工程师命名,它将中央处理器和存储器结合在一起,它是每一台计算机的基础。

这种量子中央处理器是一个重大突破,因为从定义上说,量子计算机很难设计。它们基于叠加概念——一个量子比特可同时在两种不同的状态存在。换言之,它可能同时是一个0或一个1,因此其计算速度快于以0或1为基础的系统。

在另一篇量子论文中,奥地利的研究人员报告制造出第一台数字化量子模拟器——有点像量子计算机,但是范围不同。它可用于制作量子系统行为的模型,这有可能帮助改进量子计算机。

研究小组利用激光冷却的钙原子作为量子比特,利用激光脉冲启动计算。

据今天刊登两篇研究报告的《科学》杂志说,研究人员发现,该系统可模拟几种交互式旋转系统。研究人员说,这种模拟器可改变程序,模拟任何量子系统。

来源于《参考消息》,更多详情:http://www.xxbei.com/Channels/1.html

 

未来超级计算机:量子计算机

CNET科技资讯网7月26国际报道 在激光的照耀下,数以千计的原子在成双成对地翩翩起舞,还不时地相互交换着位置。

本周三,美国物理学家表示,未来处理能力超强的量子计算机将能够在数秒钟内完成目前速度最快的超级计算机数年才能完成的计算任务,而这些原子对正是这种量子计算机的基本模块。

美国商务部标准和技术协会的研究人员特里说,在量子世界中,我们能够同时完成多个古典计算。

特里和他的同时已经能够使超低温铷原子对反复交换位置,这使得它们能够被用来在量子计算机中存储和处理数据。

在目前的计算机中,存储的最小单位是二进制数位,每个位只能有二种状态━━0或1,这构成了数字计算领域的信息存储基础。将8个位组合在一起就构成了字节。

特里表示,量子位(qubit)能够在0-1之间振荡,这种灵活性使得多个运算能够在同一时间完成。

目前,这些原子对只能“以相同的步伐跳舞”。为了使这一技术能够应用于量子计算机中,特里和他的团队需要找出让各个原子对能够各自为政地起舞的方法。他说,我们只是演示了最基本的技术

 

第一台冯·诺伊曼结构量子计算机

来源:Solidot

冯·诺伊曼结构描述了一种电子计算机的设计结构:中央处理器、储存数据和指令的内存,外部存储器和输入输出机制。现在,加州大学圣巴巴拉的研究人员研制出一台冯·诺伊曼结构量子计算机系统,将量子处理器和储存数据和指令的内存元素结合起来。冯·诺伊曼结构让控制和编写量子计算机能执行的程序变得可行。第一台售价1000万美元的商业量子计算机没有内存,它像冯·诺伊曼结构之前的计算机那样工作。在冯·诺伊曼结构量子计算机系统中,一个由两个量子比特组成的处理器通过量子总线连接和通信,量子内存能储存每个量子比特的状态值供以后使用,功能类似传统计算机的RAM。