月度归档:2012年12月

MIT发现第三种磁性 可造量子计算机?

麻省理工学院(MIT)近日展示了一种全新磁性的存在,证实了早先的预言。
在此之前,我们只知道两种磁性:“铁磁性”(Ferromagnetism)就是条形磁铁、指南针里的磁性,几个世纪前我们的祖先就了解它了,同性相斥异性相吸,内部所有原子的磁运动或者磁性方向是相同的;“反铁磁性”(Antiferromagnetism),金属和合金内部的磁场,原子磁运动方向相反且互相抵消,从而可以有序地排列,硬盘磁头就是基于这种原理的。

 

反铁磁性的预言和发现让Louis Neel、Clifford Shull分别在1970年、1994年赢得了诺贝尔物理学奖,而后者就是MIT的一名教授。

而新发现的第三种磁性叫做“量子自旋液体”(Quantum Spin Liquid/QSL),来自一种从矿物中提出的固态晶体“herbertsmithite”,但磁性却很像液体里的分子,内部每个粒子的磁方向都是持续混乱的。

MIT物理学教授Young Lee指出:“我们证明了,磁性还有第三种基础状态。材料内部的磁方向毫无秩序,或者说没有固定的磁矩,但(粒子)之间有强烈的相互作用,而且因为量子效应,它们不会固定在某个的地方。”

虽然很难直接测量或者证实这种特殊磁性状态,不过MIT声称他们得到的是最强有力的实验数据,完全可以将理论模型证明为现实物理系统。

普林斯顿大学教授Philip Anderson 1987年第一次提出了这种新的磁性概念,认为它可能会和高温超导体有关。Young Lee表示:“从那之后,物理学家就一直想得到这种状态,但直到最近几年我们才取得了实质性进展。”

Young Lee和他的同事花了十个月的时间,在去年成功得到了一块足够大、足够纯净的herbertsmithite,然后就一直在钻研它的属性,并最终验证了QSL磁性的存在,期间还使用了中子散射(neutron scattering)技术进行测量。

接下来大家应该会问,这种新的磁性会有什么用?前言物理理论转换成实际应用成果往往需要很长的时间,这次也不例外。研究人员指出,这一发现可能会带来数据存储(新型存储器)、计算机通信(远程量子缠绕)的重大突破,造就新型量子计算机,或者实现真正的高温超导体——可在常温而非零下200℃下工作的超导体。

量子计算机:从空想到现实

从薛定谔的猫到今年的诺贝尔物理学奖的不开箱就能观测猫的生死,量子计算机已经从空想变为了现实,而随着IBM等商业机构的发力,量子计算机时代正在向我们快步走来。

10月9日,诺贝尔物理学奖答案揭晓,来自巴黎高等师范学院塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)教授以及美国国家标准与技术研究院的大卫·维因兰德(David Wineland)教授共同分享了这一殊荣,他们两人的获奖理由是分别发明了测量和控制孤立量子系统的实验方法。

在诺贝尔奖委员会的新闻稿中,两位获奖者的成就被称为“为实现量子计算机奠定了基础。”一时间,量子计算机也成为了业界关注的焦点。

薛定谔的猫和诺贝尔奖

对于普通人来说,量子力学是个深不可测的概念。不过,随着最近几年科幻题材电影电视剧的风靡,“平行宇宙”、“平行世界”之类的词汇开始被频频提及,而它正是出自量子力学的相关概念。

想要了解什么是量子计算机,那么首先需要了解“薛定谔的猫”这个量子力学中的经典假设。

1935年,奥地利著名物理学家,同时也是量子力学创始人之一的薛定谔设想出这样一个实验:一只猫被关进一个不透明的箱子里,箱子内事先放置好一个毒气罐,毒气罐的开关由一个放射性原子核来控制。当原子核发生衰变时,它会释放出一个粒子触发毒气罐的开关,这样毒气释放,猫就会被毒死。

根据量子力学的理论,在实验者没有开箱进行观测时,原子核处于衰变和未衰变的叠加状态,换言之,箱子里的猫既是活的也是死的,对于普通人来说,很难理解“既生又死”这样的状态,但这正是量子力学研究的领域。量子力学针对的是在微观环境下的物理现象,在这一环境中,大家中学时候学习的经典物理学中的规律会突然失效,微观世界是由另一套自然法则在操控,这也是为什么薛定谔的理想实验中猫既能是活的也能是死的。

不过,一旦打开箱子,微观实现就会出现“崩塌”,原子核的状态就会确定下来,此时猫是生是死也随之揭晓答案。

长期以来,由于不能实际观测,量子力学仅仅停留在理论之上,而缺乏实践的验证。然而,今年两位诺贝尔奖得主的成就正是在这方面取得了突破。他们各自通过精妙的实验,使“测量和操控量子系统成为可能”,让不打开箱子就能观察猫的生死变成了可能。当然,更重要的是,它也使量子计算机的实现变得不再遥不可及。

不再是空想的量子计算机

所谓量子计算机是基于量子力学基本原理实现信息处理的一项革命性计算技术。1982年,美国物理学家费曼在一次演讲中提出利用量子体系实现通用计算的想法,当时他发现,分析模拟量子物理世界所需要的计算能力远远超过了经典计算机所能达到的能力,而用实验室中一个可控的量子系统来模拟和计算另外一个人们感兴趣的量子系统会非常高效,量子计算机的概念也应运而生。

量子计算机与经典计算机不同之处在于,对于经典计算机来说,其基本的数据单位就是一个比特,相对应的一个比特不是0就是1,而对于量子计算机来说,一个比特可以同时表示0和1,这就意味着两个比特就能表示00、01、10、11四种状态。这样,只要有300个量子比特,其承载的数据就能是2的300次方,这将超过整个宇宙的原子数量总和。简而言之,量子计算机的运算能力将是目前经典计算机所无法比拟的。

前面的表述未免抽象,举一个形象的例子:目前最好的多核处理器能够解密150位的密码,如果想要解密一个1000位的密码,那么需要调用目前全球的计算资源才有可能实现。但是从理论上讲,一台量子计算机在几个小时内就能解决这一问题。在量子计算机面前,目前世界上最复杂的密码也会变得不堪一击,这意味着互联网上将不再有秘密可言,人类需要重新设立一套与现在完全不同的信息加密系统。

量子计算机的用处当然不只是破译密码,在大数据分析的时代,对计算机运算能力的要求正变得愈来愈高,从语义识别到人工智能,都需要倚仗计算机强大的运算能力才能完成,这也让业界对于量子计算机的诞生充满了期待。

不过,虽然理论上300个量子比特就能赋予计算机难以想象的运算能力,但现实与想象毕竟还存在不小的差距。根据清华大学交叉信息研究院助理研究员尹章琦的介绍,估算大概需要至少一万个量子比特才能超越经典计算机的计算能力,“因为我们需要对计算过程进行纠错,所以需要很多个物理比特才能获得一个可容错的逻辑比特。估计需要大概一千个逻辑比特运行Shor算法来超越经典计算机的计算能力,那么物理比特至少要高一个量级,甚至可能要高两个量级”。尹章琦所从事的正是关于量子信息与量子光学的理论与实验研究。

商业化的未来

在学界还在探讨量子计算机可行性的时候,产业界已经迫不及待开始了实践。早在2001年,IBM就曾经成功实现利用7个量子比特完成量子计算中的素因子分解法。

2007年,加拿大的D-Wave公司就发布了号称全球第一台商用量子计算机——采用16位量子比特处理器的Orion(猎户座)。不过,Orion发布后迅速被业界泼了一盆冷水,业内人士称,Orion并不是真正意义上的量子计算机,只是具备了一些量子计算的特性。

去年,D-Wave卷土出来,发布了全新的产品——D-WaveOne,这一次它的处理器达到了128量子比特,比前代产品大大提升,一台售价高达1000万美元。但是,由于D-Wave对核心技术三缄其口,学术界无法得知关于其产品的更多信息,质疑之声再起,因为目前能够实现10量子比特已经是相当了不起的成就。

不过,即便质疑不断,D-Wave还是成功拿到了第一张订单,外国媒体报道,美国知名的军备制造商洛克希德·马丁已经购买了D-Wave的产品并且将其用在一些复杂的项目上,比如F-35战斗机软件错误的自动检测。

不仅如此,D-Wave还在今年10月得到了来自贝索斯以及美国中情局下属投资机构In-Q-Tel总计3000万美元的投资。贝索斯的投资逻辑显而易见,随着现实世界的不断互联网化,他的野心自然是通过深度挖掘和分析亚马逊积累的海量数据创造出更大的商业价值,而量子计算机正是实现这一切的基础。

在D-Wave大出风头的同时,老牌巨头IBM也不甘落后,今年2月,IBM宣布在量子计算领域再次取得重大进展。新的技术使得科学家可以在初步计算中减少数据错误率,同时在量子比特中保持量子机械属性的完整性。

IBMTJ沃森研究中心的物理信息主管Mark Ketchen表示,IBM目前已具备在一段足够长的时间内保持栅电极状态的能力,“一旦数据差错降低到足够小,我们就能把许多栅电极组合在一起,从而得到一个完美的量子位,这表明我们已经拿到了入场券,并可以开始真正制造一些东西了。”

当然,量子计算机要想真正实现还有很长的路要走。“量子计算机的第二步是进一步提高量子比特数目到10这个量级,第三步就是到100乃至1000这个量级。第四步是实现可容错的量子计算,最终就可以实现一个超越经典计算机的量子计算机。”尹章琦说,“目前我们刚刚走到第二步。”不过,随着像IBM这样老牌巨头的发力,以及贝索斯这样投资人的介入,量子计算机的真正实现或许离我们已经并不遥远。

量子计算机是注定失败的萌芽?

可以说,近年来,量子计算技术是耳熟能详的一个名词。短短的二十年时间,它从出生到萌芽,在热盼中、期冀里一步步成长。量子计算机以其理论上的非凡性能和广阔的应用前景备受世人瞩目,然而却在技术层面上遇到了重重关卡。

   这究竟是成功的开端,还是注定失败的萌芽?

   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。在运行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。  

   据保守估计,为量子计算机供能时,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;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;假定量子计算机每小时所产生的热量能使自身温度升高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!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。 

   然而,最近的可喜消息是加拿大的D-Wave 公司已经宣布能够生产并销售商用量子计算机。虽然价格昂贵,但其理论性能已超过了当今所有的超级计算机。

   是昙花一现还是曙光将至?我们不从得知。可是我们要知道,一切最伟大的发现都是从不可能到可能的艰难转变,往往在研发初段鲜有人能预料到未知事物的真正价值大小。

   在当今的年代,没有绝对的不可能,也没有简简单单的轻松一步登天。

   量子计算机能为我们带来多大的惊喜?

   我们不敢妄言,因为惊喜在探索中自会渐渐凸显。但肯定的是,这丝萌芽决不是注定的不可能。

信息科学技术学院 刘建元 1200012953