月度归档:2012年10月

中情局联手贝索斯研制量子计算机

腾讯科技讯(Kathy)北京时间10月30日消息,据国外媒体报道,加拿大公司D-Wave开创了革命性的运算方法,获得了亚马逊创始人杰夫·贝索斯(Jeff Bezos)和美国中情局旗下投资机构In-Q-Tel的投资,以下为全文摘要:

在温哥华郊区内一处建筑物里,有一个地方比宇宙中其他任何地方都更冷。它的里面是一个计算机处理器,亚马逊创始人杰夫·贝索斯和中央情报局旗下的投资机构In-Q-Tel相信,它可以利用量子力学特性,释放远远超过传统计算机芯片的运算能力。贝索斯和In-Q-Tel跟其他投资者们一起,为这一前景投入3000万美元。

 

中情局联手贝索斯研制量子计算机

 

D-Wave处理器据称可以进行量子运算,图中是其冷却和屏蔽装置的一部分(腾讯科技配图)

如果事情顺利,世界上最棘手的一些运算问题,比如寻找新药物或创建人工智能,将会变得容易得多;而且D-Wave Systems公司的声誉也将得以保全。这家创业公司花了8年时间来制造量子计算机,却一无所获,遭到了著名物理学家们的怀疑乃至于嘲弄。

D-Wave的处理器旨在处理软件工程师所说的“优化”问题。比如找出的最有效的配送路线,或蛋白质中的原子在遇到药物化合物时如何移动,这类难题的核心就是“优化”问题。D-Wave的创始人和首席技术官乔迪·罗斯(Geordie Rose)说:“几乎一切事情都跟优化有关,它是机器学习的基础,而机器学习是互联网上创造的所有财富的基石。”机器学习是人工智能的一个分支。在机器学习中,软件检查现在的信息,为将来制定适当的行动方式,它是语音识别和产品推荐等技术的基础。在像谷歌(微博)和亚马逊这样依赖于大数据的公司中,机器学习是一个需要优先研究的方面。

罗伯特·艾姆斯(Robert Ames)是In-Q-Tel的信息和技术副总裁,他在最近发布的一份声明里说:“我们的情报界用户面临很多复杂问题,这给运算架构带来了很大压力。”In-Q-Tel的主要“用户”包括美国中央情报局和国家安全局,这两家机构都在自动化情报收集和分析方面投入了巨额资金。

罗斯是一个自信满满的加拿大人,他的办公室里没有窗户,角落里放着一把吉他和一把日本武士刀。罗斯最初向记者们宣布重大消息是在2007年:在加利福尼亚州山景城的计算机历史博物馆里,他举办了一个高调的发布会,推出了D-Wave的首个概念型处理器。在与会者们的注视下,D-Wave处理器(似乎)解决了数独谜题,并在一堆化合物中找出了最接近某种药物分子的东西。但在那之后的数周、数月和数年里,来自于量子运算学术专家的怀疑和欺诈指控像雨点一样落在D-Wave头上。罗斯关于其芯片尺寸和能力发展速度的预言也没有能够实现。D-Wave虽然资金充裕,但却在公众视野里沉寂下来。

贝索斯和In-Q-Tel是D-Wave最有名的投资者,从它们那里获得资金以及其他一系列事件表明,D-Wave 认为自己已经准备好对批评者做出回应了。2011年5月,该公司在著名的《自然》杂志上发表了一篇论文。一些知名学者说,这是第一篇可以证明D-Wave芯片具有量子特性的论文。谷歌的人工智能研究者定期通过互联网登录到一台D-Wave计算机上,对它进行测试。2011年,D-Wave公司也获得了首位客户:军用设备制造商洛克希德·马丁(Lockheed Martin)为了使用D-Wave一台计算机来研究复杂项目(比如F-35战斗机)软件错误的自动检测,支付了1000万美元。这项技术究竟如何是发挥作用的,人们仍然不是很清楚,但D-Wave说,更多的证据即将出现。该公司正在制作一个改进型处理器,罗斯说这是第一台真正的产品,而不是研究设备。D-Wave有望在未来几个月中获得其他大牌客户。

进入D-Wave一楼办公区,迎接你平淡无奇的会议室、办公室以及小隔间,但主通道的一扇大门之后,是一个明亮的白色实验区,这里矗立着四个黑色的大家伙,它们就是D-Wave的计算机,呈立方体形,和大约10英尺(约3米)高。极低温气体在里面循环,发出了一种有节奏的尖锐声音。每台机器侧面都有一扇门,里面大部分都是空的,只有天花板上垂下的一架射线枪似的东西,由5个尺寸递减的金属盘组成,被电缆、支架以及镀了黄金和铜的管道维系在一起。它实际上是一架“低温枪”:温度在较粗的一端为-452华氏度(-268.9摄氏度,4 °Kelvin),而在较细的一端只比绝对零度高千分之几度,在这一端,就放着D-Wave大约1英寸(2.54厘米)见方的芯片。太空最深处也没有如此寒冷,如此严密地屏蔽了磁场。这颗芯片由硅谷的一家工厂蚀刻制作,它所采用的铌合金在超低温条件下具有超导特性。

你们使用过的每一台计算机,其处理器都是用硅制成的,它上面蚀刻的晶体管构建出了逻辑门—— 逻辑门就是开关,只有两种状态,要么是开(在计算机编程中用1表示)要么是关(0)。构成D-Wave的处理器也能在1和0之间切换,但它们是铌合金回路,最新的D-Wave处理器中有512个这种回路,这些回路被称为量子比特(qubit),它们可以捕获电流,电流在回路中要么顺时针流动(代表0),要么逆时针流动(1)。更小的超导回路被称为“耦合器”(coupler),它们连接量子比特,使其能够进行互动,甚至影响彼此在1和0之间的翻转。

这种精巧的结构,旨在让量子比特的布局对应一个算法,以解决某一特定的优化问题——传统处理器难以解决的很多任务的核心问题。它就像一家工厂里的专用机器,非常擅长于做一件事,使用的是一种特定原材料。在D-Wave处理器上进行运算,所需要的是数字形式的原材料,它会被输入到“硬编码”(hard-coded)算法中。操作方式则是把量子比特设置成1和0的布局,并微调耦合器,让量子比特进行互动。然后经过不到一秒钟的等待,量子比特稳定在一些新的值上,这意味着处理器处于较低的能量状态,问题的潜在解决方案已经得出。

在等待的那一瞬间中,处理器里发生了某种量子力学现象。量子比特进入一个奇怪的量子状态,在这种状态中,它们同时既是1又是0,就像薛定谔的猫,即是死的也是活的,而且量子比特锁定在一个奇怪的同步过程中,名为“量子纠缠”(entanglement),爱因斯坦有一次曾说它“令人毛骨悚然”。正是“量子纠缠”,让这套量子比特系统可以在一瞬间中试探每一种可能的最终组合,然后获得一个最简单(或非常接近于最简单)的组合。

至少,D-Wave的科学家就是这么解释的。该公司芯片的内部到底发生了什么事,还存在着很多疑问。在D-Wave自己的物理学家、工程师和计算机科学家的脑海中,问题尤其多。杰里米·希尔顿(Jeremy Hilton)是D-Wave 负责处理器开发的副总裁,他说:“我们依据经验,而不仅仅是根据理论,建立了这个系统。”他和公司的其他工程师都不知道芯片里到底发生了什么,但只要每个芯片设计都为问题提供了答案,芯片内部发生的量子物理学现象包含了什么更精细的细节,可以等到回顾性验证时再说。

这种态度,对投资者来说似乎不成问题,但却仍然让学者们耿耿于怀。斯科特·阿伦森(Scott Aaronson)是麻省理工学院的教授,研究量子运算的局限性。他说:“在工程水平上,D-Wave的设置从很多方面来说都令人印象深刻,但他们说用量子力学解决问题的速度比你用传统方式快,我不认为有什么确凿证据。”在D-Wave公司 2007年演示后的多年中,阿伦森一直是一位激烈的批评者,但去年该公司在《自然》上发表的论文显示了量子效应后,阿伦森的立场软化了。“过去,D-Wave的营销声明和科学之间存在一条巨大的鸿沟,现在这条鸿沟缩小了,但还是有差距。”阿伦森说,他今年二月造访了D-Wave的实验室。“举证责任是在他们那里,但他们至今还没有满足这个要求。”

阿伦森最大的牢骚是,就算在没有量子效应的情况下,D-Wave系统的设计似乎也能解决问题,如果真是这样,它就会是一台很奇怪的传统计算机。他和其他批评者说,该公司仍然必须证明两件事,一是D-Wave的量子比特真的可以进入叠加态(superposition),实现量子纠缠,二是跟传统计算机相比,D-Wave的芯片在解决同样的问题时,具有明显的“量子高速度”。到目前为止,该公司还没有在同行评审论坛上提供任何一个问题的证据。

罗斯说,D-Wave正在努力寻找量子纠缠的证据,此外,最近跟传统计算机进行比较的测试表明,D-Wave计算机在处理它所针对的问题时,速度遥遥领先于传统计算机。

阿伦森也说,D-Wave的处理器针对特定类型的问题进行了“硬编码”,这会限制它可能解决的问题的范围。此外,处理器上的量子比特数目相对较少,意味着它能处理的数据字长很短。阿伦森说,为了解决这些问题,需要使用数学方式把问题翻译成正确的形式,等D-Wave芯片给出答案时,再倒转这个过程,用数学方式把答案翻译出来,这些步骤可能导致速度明显变慢。罗斯则回应说,量子处理器的速度非常快,足以克服任何这样的缺点,他说工程师们正在寻找方法,以便自动转换普通程序代码的形式,使其符合D-Wave芯片的输入需求。

对投资者和技术公司来说,D-Wave能否说服阿伦森和其他怀疑者并不是太重要。因为在商业的很多领域,运算能力是保持竞争优势的关键因素,史蒂夫·尤尔韦松(Steve Jurvetson)是德丰杰公司(Draper Fisher Jurvetson)的合伙人,曾两次给D-Wave投资,他说在自己投资过的项目中,这是“最奇特的孤注一掷的技术”。尤尔韦松说:“有些时候,我们必须退回到使用‘经验法则’(rule of thumb)来解决问题,在任何这样的时候,你就可以应用这项技术。做短线交易,建立分子模型,开展电子商务,谷歌和微软这样的公司,都可以利用它。”尤尔韦松说,像洛克希德、亚马逊和大型制药公司这样的企业,最了解传统计算机的局限性,它们会首当其冲地采用这项技术,但如果你想设计一辆新的汽车,或是一家新的网店,你也能从这项技术中受益。

D-Wave的理念十分吸引人,但它也有一些说不清道不明的地方。一些公司和政府机构之所以愿意给D-Wave投资,还有另外一个原因,而且也许是一个更加迫切的原因。鲍勃·卢卡斯(Bob Lucas)说,在过去的几十年里,运算能力呈现了指数式增长,我们有理由相信,这种增长势态将会终结。卢卡斯在南加州大学负责指导超级计算和量子运算方面的工作,洛克希德公司的D-Wave计算机就安装在这里。运算能力出现规律性增长,一个主要原因是芯片上的连接线在逐年变细,但领先的芯片制造商英特尔目前正在开发14纳米工艺,再大幅提升这一工艺不太可能。卢卡斯说:“过去的10年中,传统运算能力呈现了指数增长,以后,它的替代品将更加令人感兴趣,”他也补充说,在洛克希德公司的D-Wave系统上做过实验之后,他对这项技术的态度已经从“高度怀疑”转变成了“谨慎乐观”。

对量子计算机的一些想法

 量子计算机与现今的电子计算机最大的不同在于电子计算机靠半导体控制集成电路来记录和运算信息量子计算机则希望控制原子或小分子的状态记录和运算信息。量子计算遵循的是量子力学其最本质的特征是量子叠加性和量子相干性。 量子计算机最神奇的地方之一在于它可以同时进行多种不同的运算并且可以将其结果同时输出这种计算被称为量子并行计算这种特性是量子的叠加性带来的。量子计算机的这一特性可以在一项多途径的实验模拟中通过运算择取最优方案从而节约大量时间与经济成本。量子的叠加性带来的另一个好处就是量子的相互叠加产生新的量子比特量子计算机中的单位类似于电子计算机中的比特这样几个量子就可以表示出大量不同的状态。 量子计算机另一个令人着迷的特点在于它可以模拟量子系统而不用担心数据太多的问题并且运算时间较现在相比也会大幅度的减少。这对解决微观粒子的难题提供了绝佳的保障这将会推动科技地飞速发展。 但我们要看到量子相干性的不稳定性像是一道鸿沟横跨在我们与量子计算机之间任何外界的干扰都会导致消相干的发生。量子计算机带给我们最多的还是遐想它就像是镜中的风景一样——可望不可即。

加入信息共振量子电路的量子计算机设计思路

任何物质信息都是波,有一定的波长和频率,人脑内部有一个信息共振系统,就是信息进入大脑,大脑的信息共振系统就会出现共振(可以参考声音共振原理),信息的频率越接近大脑记忆下的频率,共振越强,比如“红色”这个频率的信息进入大脑,大脑记忆红色的区域就会发生共振,然后触发相应的内分泌系统分泌出警惕的激素,在激素控制下人会做出相应的行为比如防御和害怕。如果接近频率的信息进入大脑比如赤色,红色记忆区域也会发生共振,但是没红色的强烈,同样人也会做出防御和害怕,所以大脑实际是一个量子共振计算机。

量子技术将颠覆战争面貌:意义不亚于核武器

量子信息技术将颠覆战争面貌:意义不亚于核武器

 

我国在2009年成功实现了世界上最远距离的量子态隐形传输,证实了量子态隐形传输穿越大气层的可行性

量子信息技术:颠覆与超越

科学社会学的奠基人贝尔纳曾说:“科学与战争一直是极其密切地联系着的。”今天,倘若我们要追溯风靡全球的信息化战争之科技源头的话,无疑是1946年世界第一台计算机“ENIAC”诞生所开启的电子信息科技革命。然而,这一曾彻底颠覆机械化战争图景的电子信息科技,在遵循“摩尔定律”飞速前行了数十年之后,制约其进一步发展的系列问题日渐凸显:电子计算机的极限运算速度是否存在?越来越一体化的电子信息网络如何应对“网电空间战”?等等。对此,近年来不断突破的量子信息科技正在开启新的机遇之门,势必在未来重新涂抹战神的面孔。

量子计算:从科幻走入现实的神奇魔力

曾创作出《侏罗纪公园》和《失去的世界》等作品的著名科幻作家迈克尔·克莱顿,在科幻小说《时间线》中曾尝试用文学的笔调来想象量子计算的神奇。其中,一家名为国际技术公司的经理们如此推销其眼中的高新科技:“普通的计算机用电子的两种状态计算,这两种状态被定为0和1。但在20年前,理查德·费曼就提出,有可能利用电子所有的32个量子态来进行快速计算。现在有诸多实验室正在试图制造这样的计算机。它们的优点是难以想象的、强大的并行计算能力。”

作为科幻作品,克莱顿的小说中充斥着“量子多宇宙”“量子泡沫虫洞”“量子运输”“量子纠缠态”等令人既感新奇又感陌生的词汇,书中之“电子的32个量子态”说法也并不科学。然而,克莱顿预言的量子“并行计算”的强大潜力和美好前景,如今却正在现实世界一步步得到印证。

具体而言,1965年,英特尔公司的创始人之一戈登·摩尔针对电子计算机技术的发展提出了“每18个月计算能力翻倍”的摩尔定律。然而,由于传统技术的物理局限性,这一能力或将在未来10~20年之内达到极限。据保守估计,2018年芯片制造业就将步入16纳米的工艺流程,业内专家则认为,16纳米制程已经是普通硅芯片的尽头。事实上,当芯片的制程小于20纳米之后,量子效应就将严重影响芯片的设计和生产,单纯通过减小制程将无法继续遵循摩尔定律,而突破的希望恰在于量子计算。

从理论上讲,一个250量子比特(由250个原子构成)的存储器,可能存储的数达2的250次方,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。无论在基础理论还是在具体算法上,量子计算都是超越性的。因此,对量子计算的相关研究及量子计算机的具体研制已成为世界科学领域最闪亮的“明珠”之一。比如,美国国防部对此就给予了高度重视,国防高级研究计划署(DARPA)专门制定了名为“量子信息科学和技术发展规划”的研究计划,其对外公开宣称的目标是,若干年内要在核磁共振量子计算、中性原子量子计算、谐振量子电子动态计算、光量子计算、离子阱量子计算及固态量子计算等领域取得重大研究进展。

量子密码:构筑“数字城堡”的铜墙铁壁

近年来,谍战剧热播我国荧屏,围绕着夺取情报、破译密码,一个个斗智斗勇的故事,吸引了无数观众的眼球。然而很多人并不知道,随着量子信息技术的发展,密码通讯正在迎来划时代的变化,一种永远无法破译的密码或将在不远的未来登上军事斗争舞台。

具体来说,目前的密码大都采用单项数学函数的方式,应用了因数分解或其它复杂的数学原理。例如,在目前互联网上比较常用的RSA密码算法,就是应用因数分解的原理。因为要计算两个大质数的乘积很容易,但要将乘积分解回质数却极为困难,这就使得密码很难被破解。然而,美国科学家皮特·休尔却提出了“量子算法”,它利用量子计算的并行性,可以快速分解出大数的质因子,这意味着以大数因式分解算法为根基的密码体系在量子计算机面前不堪一击。

差不多同时,另一个著名的量子算法——“量子搜寻算法”也被提出,用该方法攻击现有密码体系,经典计算需要1000年的运算量,量子计算机只需小于4分钟的时间,从而使传统密码领域遭遇前所未有的挑战,以致有科学家宣称:“其意义不亚于核武器……一旦有些国家拥有了量子计算机,而另一些国家却没有,当战争爆发的时候,这就犹如一个瞎子和一个睁眼的人在打架一样,对方可以把你的东西看得清清楚楚,而你却什么都看不到。”

当然,量子计算机的出现虽然会对传统密码产生颠覆,但是量子信息同时也提供了一个守护神,即一种理论上无法破解的密码——量子密码。由于采用量子态作为密钥,具有不可复制性,因而无破译的可能,量子密码的出现也因此被视为“绝对安全”的回归。世界各国纷纷将其纳入国防科技发展战略之中。如美国洛斯阿拉莫斯国家实验室就在研究量子局域网的密码体系和自由空间量子密码。此外,英国国防部及欧盟各国也启动了类似的量子密码研究计划。

量子通信:“超光速”联通一体化战场神经网络

这个世界上真的存在“超时空隧道”吗?对此,科学家给出的答案是,伴随着量子信息科技的持续发展,未来这一幻想不是没有实现的可能。当然,这一说法今天看来依然不无夸张,但其所谓的与“量子纠缠”密切关联的“量子态隐形传输”则正在变为现实。

通俗而言,两个相距遥远的陌生人不约而同地想做同一件事,好像有一根无形的线绳牵着他们,这种神奇现象可谓“心灵感应”。与此类似,所谓量子纠缠,是指在微观世界里,有共同来源的两个微观粒子之间存在着纠缠关系,不管它们距离多远,只要一个粒子状态发生变化,就能立即使另一个粒子状态发生相应变化。量子通信正是利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通信方式。此种通信技术若能得以实现,其影响将是划时代的。

在时空方面,由于量子通信属于超光速通信,不仅是“最快的通信”,而且有穿越大气层的可能,从而为基于卫星量子中继的全球化通信网奠定了可靠基础。日前,德国物理学家就正在利用量子纠缠效应打造量子互联网,其研究人员称:“我们已经实现了第一个量子网络原型,在节点之间完成了量子信息的可逆交换。此外,还可以在两个节点之间产生远程纠缠,并保持约100微秒……未来人们通过它不仅可以进行远距离的量子信息沟通,而且还将使大型量子互联网完全实现成为可能。”

显然,这一量子通信技术在军事应用方面有着无与伦比的广阔前景,量子隐形通信系统将建立在各类作战指挥控制体系之间和各种侦察预警系统、主要作战平台以及量子微空间武器系统之中,构建出量子信息化战场的通信网络,以其超大信道容量、超高通信速率等特性,在未来的信息化战争中扮演无可替代的角色。亦正因此,近年来,美国国防高级研究计划署启动了多项量子通信方面的相关研究计划。英国、德国、日本等国也都将量子通信技术纳入议程,对其开展了广泛的探索。(袁珍军 方立华 刘亚迅)

澳科学家在量子计算机研究中获重大突破

 

编辑:李哲雅

来源:天地视频

发布日期:2012-09-29

标签:天地视频 澳大利亚 科学家 量子计算机 研究 重大突破

专辑:资讯

简介:量子计算机由于其超强的计算与存储能力被称为“未来的计算机”。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。近日,澳大利亚的科学家在量子计算机研究中获得了重大突破,为商业化生产量子计算机创造了前提。

尝试创造第一台量子计算机实现突破

一个由澳大利亚工程师领导的研究组基于硅片上的单原子技术,第一次成功制备了可实用的量子比特,这打开了通往最强大的量子计算机的未来之路。

在今天出版的《自然》杂志的显要位置有一篇文章,文中该研究组描述了如何通过电子的自旋或者磁性取向读写信息,而这个单电子被一个嵌入硅片的磷原子束缚。

“第一次,我们可以在由自旋形成的量子比特(quantum bit,简称qbit)上表示数据或者对它进行操作,这里的量子比特是量子计算机最基本的数据单元,”Andrew Dzurak教授说道。“这是利用硅片上的单原子技术制造量子计算机的关键进展。”

来自新南威尔士州立大学电子工程和通信学院的Andrea Morello博士和Dzurak教授领导了这个小组的工作,该组也有来自墨尔本大学和伦敦大学联盟的研究人员。

“这是一个重大的成就——从最基本的层面把握了自然——深远地涉及影响了量子计算。”Dzurak说。

Morello博士说量子计算机能够解决复杂程度超过现今最大超级计算机能力的问题:“这些问题包括数据密集问题,比如破译现代加密代码,搜索数据库,以及模拟生物分子和药物分子。”

这次的发现承接一篇2010年发表在《自然》上的工作,在那篇文章里,新南威尔士州立大学的研究组展示了读取电子自旋态的能力。现在发现的写入信息的方法补完了对于操作量子比特来说必须进行的两步走过程。

通过微波场对一个束缚于磷原子的电子实现了前所未有的控制促成了这次新发现,这个被嵌入的单原子紧邻一个特制的硅晶体管。来自墨尔本大学物理学院的David Jamieson教授领导完成了把磷原子精准嵌入硅制器件的实验工作。

论文的第一作者,新南威尔士州立大学的博士Jarryd Pla说:“我们已经可以孤立、测量、控制一个束缚于单原子的电子,实现这些操作的器件与通常的硅制计算机芯片在制作方法上十分相似。”

正如Morello博士指出的:“这次实验在量子计算的角度看来就类似于你在键盘上敲打一个数字。这从来没有在硅片上实现过,而硅片具备在科学上更好理解和在工业上更容易采用的优势。从根本上讲,我们的技术与现今广泛应用的无数电子器件相同,而且这是一个万亿美元级别的产业。”

研究组的下一个目标是用两个量子比特联合以构造一个两比特的逻辑门,这种逻辑门是量子计算机的基本运算处理单位。

Morello和Dzurak是澳大利亚研究委员会量子通信和通信技术小组的领导者。量子比特器件由新南威尔士州立大学、澳大利亚国立制品厂和墨尔本大学制造。研究赞助来源于澳大利亚研究委员会,美国陆军研究办公室,新南威尔士州政府,新南威尔士州立大学以及墨尔本大学。

(媒体链接不翻译)

量子计算和量子通信是物理学界现今的热门领域,而这个实验小组实现的则是该领域实用化的基础。量子计算机解决各种经典问题的优秀算法有一些,而且还在继续设计,但是量子计算机怎么实现却依然在探索之中,别说量子计算机,就是稳定的可供操作的量子比特也是不容易制备保存的。如果只能使用一次而且难于保存,那么就不具备实用化的可能。只有可以在通常条件下重复使用才算进入了真正的应用阶段。
量子计算由于量子态的叠加特点具有并行性,可以大大提高运算处理的速度,许多问题是经典计算机无法解决的,但是在量子计算机上的算法是可以计算的。这里的经典指的是基于图灵机的计算机理论,现今的计算机无论多大多强本质依然是图灵机。量子计算机与图灵机则有着本质的不同。
所谓的量子比特就是利用而能级系统的两个能级代替0和1进行运算,这个系统可以是某个内禀坐标方向的电子自旋,也可以是其他的能级体系,只要两个相邻能级之间的能级差够大、可以区分即可。
通用量子门是量子计算机的处理单元,包括3个单量子比特门和受控非门。
上述的量子比特和通用量子门都是量子计算机的基础,现今的量子计算领域,如果把算法比作设计,把量子器件的制造当做地基,有点类似房子地基还不知道怎么打好,房间内部装潢设计图纸倒是有了不少,大概就是这个局面,所以,不难理解,这个研究组发现的重要性了。

他们可能带来计算机领域的革命

瑞典皇家科学院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。诺贝尔物理学奖评选委员们介绍了获奖者的研究成果。他们说,通过巧妙的实验方法,阿罗什和瓦恩兰的研究团队都成功地测量和控制了非常脆弱的量子态,这些新的实验方法使他们能够检测、控制和计算粒子。两位获奖者的实验方法有很多相似之处,瓦恩兰困住带电原子或离子,通过光或光子来控制和测量它们;阿罗什却让原子通过一个陷阱,从而控制和测量被困光子和光的粒子。

试着畅想这样一幅画面,您正为您丢失的QQ密码焦急不已,您正为找回您的银行密码而办理繁琐的手续,这时量子计算机出现,它帮您立刻破解您曾设置的任何密码,不必要的麻烦同时省去。当然,也有人担心这把双刃剑会危及密码的安全,这时自然又会出现新的方法来增强保密性,比如量子信息处理就有比一般的信息处理更具备这项优越性。

一旦科学家们发现并掌握了控制量子的稳定手段,那么我们的桌上摆放的将会是新型的“量子计算机”。人类将迎来计算机领域的革命。本报记者陈文嘉 报道

实现量子计算机与量子信息处理大规模应用的基础性工作,有了阶段性的成就。9日,诺贝尔奖委员会宣布,今年的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,颁奖声明说他们“使用突破性的方法实现单个量子系统的测量和操控”。

突破 从“囚禁”粒子到“操控”粒子

湖南师范大学物理学教授海文华对二位获奖人的成就表示钦佩,他说,两位物理学家“能够在操控单个粒子方法方面实现突破,确实是一件很了不起的事情。”而就在1989年,有科学家把单个粒子,如原子放在真空里面,放了20多个小时,原子没有跑掉,仍在那里。这时人类实现了能看到单个原子的突破。这种控制粒子的方法可以这样描述:“科学家把这个粒子囚禁在那里,放在真空里面,使它在其中不跑掉”。科学家因这种控制单个粒子的方法而获诺贝尔物理学奖。

塞尔日·阿罗什和戴维·瓦恩兰“就不光是将粒子囚禁在那里,使它不跑,”海文华说,“他们利用它操控它去做量子信息的一些处理,用这一独特的方法去研究更多的物理问题,比之前又更进了一步。”

应用 限于实验室,离应用遥远

鉴于粒子研究的“纯科学”性质,诺奖评委会对本年度获奖成果的实际应用没有“渲染”表述,只提及两名获奖者所创制方法的一个实例:促成研发“极为精准”的时钟,精度比现有铯原子钟高百倍。

海文华从此诺贝尔物理学奖获奖人的研究领域,看出了物理学界学术研究趋势的端倪。他认为,诺贝尔奖委员会将诺贝尔物理学奖授予这两位学者,说明物理学界较为重视这方面具体实验的实现,“以前多是些理论方案,二位在实验的实现这方面做了很大的贡献。”他说。尽管如此,两位物理学家的研究成果要转化至大规模的应用,还有很长的路要走,“他们的研究现在还暂时在实验室的范围里面,并没有投入到大规模的应用上。”海文华说,“他们的研究是一个基础性的阶段的科学研究,离普通人的生活较远。”

前景 量子计算机,性能更优越

那么,在不久的将来,哪些可见的应用会得益于塞尔日·阿罗什和戴维·瓦恩兰的这一基础性的科学研究呢?据海文华介绍,这一操控粒子的方法实现突破之后,理论上的应用,可以应用于量子计算机和量子信息处理等方面。但真正要将这些应用实现不太容易,二者目前的研究只是在实验实现方面做出了比较大的贡献,做了许多推动性的工作,离量子计算机与量子信息处理的应用还有很大的距离。

至于将来的应用,比如成功应用于量子计算机,人们即可被量子计算机的强大性能所折服。即就运算速度而言,量子计算机就比普通电脑运算速度具备非常大的优越性,海文华表示:“目前的计算机不能破解的隐含的”安全”密码,可能用很多年才能破解得了的密码,而用量子计算机说不定一下就破解了,运行速度非常快。”而未来应用于量子信息处理,也比普通的信息处理有非常多的优越性,比如保密性等方面。

[数字诺奖]

物理学奖最年轻获奖者仅25岁

192人

从1901年到2011年,共有192人获得诺贝尔物理学奖。

2人

只有2名女性获得过诺贝尔物理学奖,最近一次女性获诺贝尔物理学奖是在1963年。

241人

截至目前,有241名诺贝尔奖获得者出生在美国(其中有2人两次获得诺贝尔奖)。

54岁

截止到2011年,获得诺贝尔物理学奖的人在获奖时的平均年龄是54岁。

25岁

历史上最年轻的诺贝尔物理学奖获得者是英国人威廉·劳伦斯·布拉格, 他于1915年与父亲威廉·亨利·布拉格共同分享了当年的物理学奖,当时年仅25岁。他也是截至目前所有诺贝尔奖获得者中最年轻的一位。编译/杨涵

[你知道吗]

量子计算机,未来“神器”

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。

现有计算机,采用二进制数据格式,即每一个数据单元、或称“比特”非“0”即“1”。“量子叠加”状态下,“量子比特”可以是“0”或“1”,可以是两个“0”,也可以是两个“1”。与现有的计算机相比,量子计算机利用那些“幽灵”般难以捕获的量子,使自身的计算能力大大提高。

量子计算机在密码破解上有着更好的性能,同时它能利用量子力学的理论更好地模拟自然系统。应用前景广泛。一旦科学家们掌握了控制量子的稳定手段,那么我们的桌上摆放的将会是新型的“量子计算机”。人类将迎来计算机领域的革命。

不过,要让量子计算机走进寻常百姓家,还稍显遥远。即便是最乐观的研究者也认为,依据现有的研究水平,短短数年内,量子计算机不可能完全大规模替代现有的计算机。编译/杨涵

作者:陈文嘉

从“猫的生死”到量子计算机

  • 图片作者:黄联勇
  • 图片说明:塞尔日·阿罗什。 绘图:黄联勇

 

  • 图片作者:黄联勇
  • 图片说明:戴维·瓦恩兰。

 

从“猫的生死”到量子计算机 ——解读2012年诺贝尔物理学奖

本报首席记者 张懿

如果你是“科技文青”,看过美剧《生活大爆炸》,那很可能听说过一个词:薛定谔的猫。那是一只被关在黑箱子里的猫,它的生死取决于箱子里一个独立原子的状态;如果原子衰变,会引发箱内毒气泄露,猫死;反之,猫活。

奥地利物理学家薛定谔在上世纪构想的这个思想实验,被后人引为解释量子世界的经典。量子理论认为,单个原子的状态其实并非“非此即彼”,或者说,箱子里的原子既衰变又没有衰变,表现为一种概率;对应到猫,则是“既死又活”。

和其他现代物理理论一样,这说法与日常经验相去甚远,让人摸不着头脑。

昨天,诺贝尔奖评审委员会宣布,今年的物理学奖由法国人塞尔日·阿罗什和美国人戴维·瓦恩兰分享。两位同为68岁的科学家的成就,将能给世界带来超快的量子计算机和超准的光钟;同时,也许终于可以告诉人们:薛定谔的那只猫究竟是死是活。

开启实验量子物理时代

英国理论物理学家霍金很干脆:往箱子里开一枪,管它猫死猫活。但这只是个玩笑。其实,猫的问题最让人头大的是你没法打开箱子看。

量子力学框架下的世界既神奇又脆弱。神秘之处在于,微观粒子通常表现为两种截然不同的状态的纠结。日常经验中所谓的“确定性”,其实是亿万个微观粒子、无数种概率的宏观统计结果。但这种“既黑又白”的量子状态又非常脆弱,一旦用宏观方法观察,比如打开装猫的箱子,哪怕只是掀开一角,神奇的叠加态就会立即被干扰、破坏——物理术语叫“塌缩”。换句话说,打开箱子那一刻,猫的生死突然由量子的叠加状态,变成宏观的确定状态。

除了不能被百姓理解,量子学家的苦恼更在于,因为找不到一个既不破坏量子状态、又能实际观测它的实验方法,长期以来他们只能在头脑中推演结论,种种精妙的预言无法得到验证。

昨天获奖的阿罗什和瓦恩兰,借助两个极为精巧的工具,在单个量子的观测和操控方面实现了突破。诺贝尔奖评审委员会用“开创性”描述他们的工作,认为他们为实验量子物理时代打开了大门。

两个史无前例的实验

华东师范大学物理系主任、国家重大科学研究计划——量子调控项目首席科学家张卫平教授用尽可能通俗的方式,向记者解释了两位新晋诺奖得主的实验。

光子和原子是量子世界中的两种基本粒子。光子形成可见光或其他电磁波,原子构成物质。用实验研究量子,首先要捕获单个的量子。

两人的方法殊途同归,一位用离子调控光子,另一位相反,用光子调控离子(带电原子)。

阿罗什将两面极为精巧的镜子平行放置,镜子之间是真空的空腔,温度接近绝对零度(约零下273℃)。一个光子进入空腔后,在两个镜面间不断反射。阿罗什实验中,光子在空腔中来回运动了0.1秒——对量子研究而言,这已足够漫长。实际上被捕获的光子在空腔中跑了4万公里,相当于绕地球一周。

瓦恩兰捕获离子的方法,是用一系列电极营造出一个电场囚笼,离子如被装进碗里的玻璃球;而后,用激光将离子冷却,最终,最冷的一个离子安静地待在碗底。

张卫平说,阿罗什的高明之处在于,他在捕获单个光子后,引入了一种特殊的原子——里德伯原子,作为观测工具。里德伯原子的电子能量极大,运行轨道离原子核极远,因而比通常的原子大1000倍。它进入双镜空腔后,有更大概率与被捕获的光子“碰撞”、耦合。之后,只要观测里德伯原子,就能得到光子的数据。至于瓦恩兰,他向“电场碗”发射激光,通过观测光谱线,便能得到碗底那颗冷离子的数据。

这两个实验都史无前例地在不破坏量子特性的前提下,实现了对单个光子和离子的观测和操控。张卫平说,这两位科学家10年前就已是竞逐诺奖的热门人选,现在终于实至名归。

量子计算机和光钟

身为国内量子调控领域的顶尖专家,张卫平与阿罗什、瓦恩兰在不少学术会议上遇见过。他们开创的实验,使量子光学在近二三十年飞速发展,目前最大的潜在突破点是超级量子计算机和超准光钟。

量子计算机最基本的数据单位依然是比特——0或1。但与常规计算机不同,一个量子构成的量子比特,可以同时表现为0和1,两个量子比特就是00、01、10、11四种状态。以此类推,300个量子比特承载的数据量便可达到2的300次方,超过整个宇宙的原子数量总和。同时,它的运算速度极快。张卫平说,虽然整体上量子计算机与实用还有很远的距离,但既然其最基础的部分——得到1个量子比特已获成功,那么,说不定本世纪内相关技术就能成熟,从而给人类带来新的计算革命。

与量子计算机相比,光钟更接近现实。正因为可以操控单个量子,科学家就能按意愿调控量子的振荡频率,直到光频段。量子振荡相当于钟摆,频率越高,精度越高。目前,实验中的光钟比此前最先进的铯原子钟精准数百倍——若这座钟从宇宙发端之日起运行,至今的误差只有5秒。借助这样的钟,GPS卫星能更精确地进行全球定位,科学家甚至可以用它来观测因为步行导致的时间变慢——相对论认为,运动会导致时间变慢;接近光速时,时间将趋于停止。

回到薛定谔的猫。某种意义上,今年两位诺奖得主的成就,已让不开箱子观察猫成为可能。张卫平说,许多类似实验其实正在做。箱子里当然没有真猫,而是少数“猫态”的量子,科学家希望能一层层剥开“量子猫”幸存或牺牲的秘密。

据报道,本月新出版的《自然》杂志上,就刊登了一篇猫态量子的实验报告。

物理诺奖得主首次活捉粒子,量子计算机光子钟将成可能

台海网10月10日讯 据新京报报道 瑞典皇家科学院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。

“不可想象”的突破

当天上午,瑞典皇家科学院常任秘书诺尔马克在皇家科学院会议厅宣读了获奖者名单及其获奖成就。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。

随后,诺贝尔物理学奖评选委员们介绍了获奖者的研究成果。他们说,通过巧妙的实验方法,阿罗什和瓦恩兰的研究团队都成功地测量和控制了非常脆弱的量子态,这些新的实验方法使他们能够检测、控制和计算粒子。

单个粒子极难俘获

在基本粒子所处微观层面上,单个粒子一方面难以与周围环境分离;另一方面是一旦与周围环境相互作用,随即失去量子特性;另外,如果两个粒子相互作用,即使两者分离,互动作用会继续存在。瑞典皇家科学院也认为,单个粒子很难从周围环境中隔离观测,一旦它们与外界发生交互,通常会失去神秘的量子性质,使得量子物理学中很多奇特现象无法被观测到。

相当长一段时期内,量子物理学理论所预言的诸多神奇现象难以在实验室环境下直接“实地”观测和验证,只存在于研究人员的“思维实验”中。

评委会认定,两人“开启量子物理学实验新时代的大门,显示不必损毁量子粒子个体,就可以直接观测它们”。

两位获奖者的实验方法有很多相似之处,瓦恩兰困住带电原子或离子,通过光或光子来控制和测量它们;而阿罗什却让原子通过一个陷阱,从而控制和测量被困光子和光的粒子。

经济危机致奖金缩水

阿罗什和瓦恩兰将分享800万瑞典克朗(约合114万美元)的奖金。不过,欧洲经济状况不佳所致,与2011年度诺奖相比,奖金总额缩水20%。

新华社电/专稿

■ 影响

两位获奖者首次让量子光学的研究向应用发展

超级量子计算机诞生现曙光

两位科学家的研究为新一代超级量子计算机的诞生提供了可能性。

量子光学领域主要从上世纪80年代之后开始迅速发展。来自法国和美国的两位获奖者都在这一领域研究多年。

诺贝尔物理学奖评审委员会认为,两位获奖者首次让这个领域的研究向应用层面发展,让新一代的超级量子计算机的诞生有了初步的可能。

 

科学界认为,下一代计算机将是建立在量子层面的,它将比传统的计算机数据容量更大,数据处理速度更快。

此外,评委会还表示,两位获奖者也在极端精准的光子钟领域有着重大贡献。光子钟是世界上最精准的钟,比目前的最精准的铯原子钟要精确好几百倍。

今年物理学奖的获奖者都是实验物理学家。中科院高能物理研究所院士陈和生对记者介绍,物理学奖得主中,从事理论或实验研究的都有。此前,华人科学家丁肇中就是凭借实验物理而获得了诺贝尔奖,而李振道和杨振宁则凭借理论研究获得诺奖。

在物理界,理论和应用互补,理论学家通过计算得出假设,实验物理学家继而进行验证,或者,实验物理学家在实验中发现了一个现有假设无法解释的现象,再由理论学家对其进行分析解释,发展理论。

中科院量子信息重点实验室教授周正威说,我国的量子光学在某些方面世界领先,如实现了量子层面较远距离的“瞬间转移”,但采用的技术总体上还较为简单,不过也有些大学开始引入“离子井”这样复杂高尖端的系统。

新京报记者金煜邓琦

■ 释疑

微观与宏观世界如何不同?

中科院量子信息重点实验室教授周正威介绍,物理世界分成宏观和微观两个层面,宏观是人眼能见到,能够操纵的现实世界,而微观层面则由极小无比的量子构成,在微观世界中的量子,有着宏观世界无法想象的特性。

对此,物理学界有一个很著名的说法:“薛定谔的猫”,其中,猫相当于微观世界里的量子,可以同时存在于两个不同的状态中,如“死”与“活”,只有进入宏观世界时,这种状态才会被打破。

周正威解释,在量子世界中,量子可以同时处于A地和B地,但在宏观世界中,一个人无法同时存在于左边的屋子和右边的屋子里。

“量子这种叠加状态,用人类的一般意识是无法说清楚的。”

 

他说,目前获奖的物理学家就在挑战这种极限,试图在微观和宏观之间挂钩,“他们的想法是,把微观的系统尽可能做大,先控制一个离子的叠加状态,然后控制几个,再几十个,希望有朝一日,能够足够大到进入宏观层面。”

如何在微观世界“捕粒子”?

中科院量子信息重点实验室教授周正威说,法国与美国的这两位科学家一同得奖,是因为他们有一个共同性,即能够操纵微观世界里的单个量子。

他解释,戴维·瓦恩兰所做的工作,是用激光冷却带电的离子,令其处于温度极低的状态,能量也降到最低,这样,原先能量和状态极其不稳定的离子就被“囚禁”了,然后就可以用激光操纵这些单个离子的内部状态。

他表示,戴维做的系统称为“离子井”,“就好像把离子陷在井里一样,他的组是现在世界上这块做得最好的。”

而获奖的法国科学家则采用了另一种方式,即微波为主,激光为辅的方式来操纵单个原子的量子状态,其系统被称为“微波枪”。

新京报记者金煜

■ 人物

塞尔日·阿罗什

塞尔日·阿罗什是法国人,现居巴黎,1944年9月11日出生于摩洛哥,1971年他从法国第六大学获得博士学位,现为法兰西学院教授兼量子物理学会主席,同时他也是法国、欧洲和美国物理学会会员。阿罗什的获奖,使法国获得诺贝尔奖的科学家达到了55人。阿罗什主要研究领域是量子光学和量子信息科学。

戴维·瓦恩兰

戴维·瓦恩兰是美国物理学家,1944年出生于美国密尔沃基。1970年,他从哈佛大学获得博士学位。现供职于美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学波尔得分校。瓦恩兰现为美国国家标准与技术研究院离子储存组组长。(邓琦)

 

全球计算机100万年搞定的事量子计算机只要花几分钟

因为找到了单个粒子的操控方法,法国与美国科学家分享诺贝尔物理学奖

法国人塞尔日・阿罗什

 

反其道而行之:他控制并测量了被捕获的光子,办法是让原子从陷阱里通过。这些镜子陷阱是特制的,反射能力极强,可以让光子在其中停留0.1秒之久。光子在两面镜子组成的空腔里反弹,持续时间达0.1秒多。

镜子

原子

镜子

微波光子

本报张叶制图

美国人戴维・维因兰德

 

使用光子来控制和测量那些被捕捉的带电离子。这些离子放置在真空和超低温中,防止外界干扰。

离子

 

激光

电极

电极

电极

法国人塞尔日・阿罗什和美国人戴维・维因兰德因为粒子控制研究而获得2012年度诺贝尔物理学奖。

诺贝尔物理学奖评审委员会认定,两名获奖者“独立发明并发展测量和控制粒子个体、同时保持它们量子力学特性的方法”。

评委会9日在瑞典首都斯德哥尔摩宣布这一消息时认定,两人“开启量子物理学实验新时代的大门,显示不必损毁量子粒子个体,就可以直接观测它们”。

而此前大热的“上帝粒子”,因看不见摸不着,难以溯源,最终无缘诺贝尔物理学奖。

据悉,历史上曾有李政道、杨振宁、丁肇中、朱棣文、崔琦、高锟等六名华人获得诺贝尔物理学奖。 (扬子晚报记者 蔡蕴琦)

“鬼东西”咋抓住的?

设“陷阱”抓到飘忽的离子后微弱灯光下等光子,看它俩“干啥”

“假如现在世界上所有计算机加起来处理一个问题,需要一百万年;一台未来的量子计算机只需要几分钟就能搞定。”昨天,南京大学物理学院于扬教授进行了解析。

量子很飘忽“捉”到它很难

南京大学物理学院超导量子计算小组于扬教授的工作就是与量子“打交道”。用他的话说,量子系统“好脆弱”,神秘难捕捉,一旦外部触碰到它的世界,就会瞬间消失。

在上世纪80年代前,量子物理虽然已经非常热门,但因为太“神秘”,科学家们只能一厢情愿地用理论来推测单个量子系统的运动规律。

直到法国物理学家塞尔日・阿罗什和美国物理学家戴维・维因兰德的成功实验才打破这一僵局。“上世纪80年代,两名大师在实验室里成功观测到脆弱的量子系统,和它的运动轨迹。这是人类能够第一次在实验室里观测、验证量子的规律。从那以后,科学家们才能真正展开量子物理实验研究,而不再是纸上谈兵。”

实验好微小每个步骤都很难

他们的实验究竟有多难呢?“单个微观粒子非常小,单凭肉眼,根本看不到在哪。”于教授告诉扬子晚报记者,两位科学家选择的实验材料非常微小,一种是和原子尺寸想当的离子,另一种是光子。

“实验中,他们必须先捉到看不见也摸不着的离子――离子是一种比纳米还小的粒子,一纳米约为头发直径的十万分之一。捉到离子后,必须把它束缚在狭小的空间内,并冷却下来,等待光子‘降临’。这时科学家们必须把灯光调得十分微弱,直到出现单个的光子。”在这样微小的世界里,离子和光子“碰撞”,相互作用,让原本“飘忽”的量子系统稳定下来。“在这个实验中,每个步骤都很难实现。”

能给我们带来什么好处?

1.制造量子计算机

100万年算出的问题,几分钟就搞定了

于教授说,在量子计算世界里,计算机运算的单位不是现在的“位”,而是微小的“量子位”,用做信息处理,制作成量子芯片。“打个比方,如果现在全世界所有计算机加起来处理一个问题需要100万年,量子计算机只需要几分钟。”

2.制造原子钟

提高军用和民用GPS系统的准确定位

另外一个妙用是提高精确性,未来人们可以制造出精确度更高的光钟。“导航卫星上都携带着原子钟,如果原子钟更加精确后,提高军用和民用GPS系统的准确定位。”

3.制造“隐身衣”

通过计算制作新材料

量子计算的另一个神奇运用,将为新材料研发提供技术保障,“通过计算我们可以模拟材料的结构和性质,制作出不同用途的新材料,比如说为飞机量身打造一件‘隐身衣’变得简单。”

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南大也在为“量子计算机”努力

于扬教授告诉扬子晚报记者,目前世界上还没有一台真正的量子计算机。

他所在的实验小组正用另外一种方式在实验里观测量子的运动,“这种方法在国际上比较看好。我们不再捕捉看不见摸不着的离子,而是用超导材料在硅片上加工成人工离子,让人工离子和光子作用,实现对量子运动的研究。”

于教授说,他的团队正在朝量子计算方向努力,但要让量子计算的速度达到预言中的“超速”,乐观估计需要20年。