月度归档:2014年03月

关于量子计算机的真相

[导读]D-Wave系统公司(D-Wave Systems)是唯一一家销售量子计算机的商业公司——据报道,谷歌(Google)和美国国家航空航天局(Nasa)已联合出资1000万美元购买该公司生产的一台量子计算机原型机。

伦敦科学博物馆(Science Museum)的对撞机展上有条走廊,是根据欧洲核子研究中心(Cern,位于日内瓦的一座大型实验室,曾发现希格斯玻色子)一条办公室走廊的原样复制过来的。走廊里有扇门上贴着一张海报,醒目地印了一只猫的照片,上书“寻猫启事”。这几个字下面写着:“请将这只既死又活的猫还给埃尔温•薛定谔(Erwin Schrödinger)。”

“薛定谔猫”(一只关在箱子里的既死又活的猫,只有打开箱子才能知道它的死活)是物理学家薛定谔设计的一个思想实验,用来展示量子力学那有违直觉的怪诞。该理论假设,一个实体可同时处于多种状态,直到它被观测到的那一刻为止,因为那时它会“坍缩”成明确态——就那只被囚禁的花猫而言,就是要么它还在哪儿打呼噜,要么已成一具猫的尸体:关猫的箱子里放有一只毒气瓶,里面的毒气或者未被或者已被基于放射性衰变机制的触发器释放出来。
天才们已经发现,进军量子领域能释放出极其庞大的计算能力。一个二进制位(bit)上的数字非“0”即“1”;而一个量子位(qubit)上的数字可是“0”可是“1”——关键的来了,还可既是“0”又是“1”。摆脱了这种“非此即彼”的限制后,即便是一台一般般的量子计算机也能完爆最快的超级计算机。破解全世界最强的加密软件,超级计算机需要约100万年,量子计算机只需要一个小时。
D-Wave系统公司(D-Wave Systems)是唯一一家销售量子计算机的商业公司——据报道,谷歌(Google)和美国国家航空航天局(Nasa)已联合出资1000万美元购买该公司生产的一台量子计算机原型机。
D-Wave的金主包括亚马逊(Amazon)创始人杰夫•贝索斯(Jeff Bezos)、高盛(Goldman Sachs)以及加拿大政府。这是一家很“酷”的公司,这里的“酷”有着另一层含义:为了显现出量子效应,原子需要被大幅冷却,因此人们在D-Wave位于温哥华附近的实验室里可以找到大概是地球上最冷的地方,其温度仅比绝对零度(原子停止运动的温度)高0.02摄氏度。
科技先锋走向哪里,政府就跟向哪里。未来五年,英国将投资2.7亿英镑建立示范中心(centre of excellence)。既然世界需要更强大的计算机,而常规芯片又达物理极限,早期投资者们就寄望于薛定谔猫能变为摇钱树。
只有一个问题:围绕D-Wave的量子计算机是否真的实现了量子计算,即将爆发一场辩论。美国麻省理工学院(MIT)量子计算专家斯科特•阿伦森(Scott Aaronson)说,虽然有证据显示存在小规模量子效应,但没有确凿证据证明D-Wave已造出了完全成熟的量子计算机,而且D-Wave的计算机也不比常规计算机快。
现在,IBM的研究人员也参与进来。近日,纽约IBM托马斯•J•沃森研究中心(Thomas J Watson Research Center)的科学家在美国加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)同僚的怂恿下,发布了一篇名为《D-Wave的机器到底有多‘量子’?》(How ‘Quantum’ is the D-Wave Machine?)的文章。通过挑战D-Wave挑战过的一个极其棘手的计算难题,并用经典算法生成出与D-Wave极为相似的结果,这些科学家主张,不可能明确认定D-Wave的机器到底属不属于量子计算机。
作为前加拿大摔跤冠军,D-Wave创始人乔迪•罗斯(Geordie Rose)的好斗之风不改。他为自己的机器进行了辩护,并指责他的批评者挑选支持他们主张的数据。他在自己的“侵入多重宇宙”(Hack the Multiverse)博客上写道:“当我看到(那篇文章)错得多么没有价值时,感觉就像拆开圣诞礼物后看到里面是袜子。”哎哟,好辛辣!
虽然这些背后中伤、瞄准别人自负心理展开的求关注行为以及一掷千金的豪赌让人看得津津有味,但量子计算看上去确实像是计算求解问题领域的必然发展方向,尽管它只能破解有限类别的问题。处于这场革命早期阶段的我们,或许不得不相信目前出现的量子计算机是名副其实的。
不过,这种不确定性也带着一丝有意思的反讽意味。量子理论的核心是海森堡(Heisenberg)的不确定性原理(uncertainty principle),即我们永远无法极为精准地测量出一个粒子的每一项属性。宇宙对我们的求知能力设置了根本性的限制:正如薛定谔那只著名的猫的命运对箱子外的人来说仍是个谜题一样,与今日量子计算机有关的真相也有待时间来揭晓。
本文作者被评为“2013年度评论奖”(2013 Comment Awards)最佳科学评论员

上海光源用户在稀磁半导体量子体系的研究中取得新进展

稀磁半导体具有奇异的光、电和磁特性,在未来的量子计算机及自旋电子学器件中有着广泛应用前景。稀磁半导体体系的磁性决定于磁性离子之间的磁相互作用,如何对这一磁相互作用进行调控是当前稀磁半导体研究领域的核心问题。

近期,中国科学技术大学教授韦世强课题组在稀磁半导体量子点的磁性操纵方面取得了重要进展。针对磁性离子间固有的反铁磁相互作用抑制了稀磁半导体量子点磁性可调这一科学难点问题,他们首次从理论上提出可以通过形成量子点核壳结构来调控掺杂磁性离子能级在带隙间的相对位置,进而操纵磁相互作用的方法。在实验中,他们在5nm直径的Co掺杂ZnO量子点外面包覆一层0.5 nm厚的半导体材料ZnS或Ag2S壳层以后,成功地将Co离子之间的反铁磁相互作用转变成铁磁相互作用。在上海光源BL08U1-A和BL14W1实验站,研究人员获得的软、硬X射线吸收谱学实验结果,印证了包覆ZnS或Ag2S壳层引起的Co3d能级在ZnO带隙间位置的改变是导致ZnO量子点中掺杂Co离子间磁性相互作用转变的微观原因。

该研究成果以Realizing Ferromagnetic Coupling in Diluted Magnetic Semiconductor Quantum Dots 为题发表于美国化学会的J. Am. Chem. Soc.(2014, 136, 1150-1155)。

(A)样品的Co L2,3边XAS (B)样品的O K边XAS (C)样品的Co K边径向结构和k2(k)函数

(A)样品的Co L2,3边XAS (B)样品的O K边XAS (C)样品的Co K边径向结构和k2(k)函数来源上海应用物理研究所)

盘点捉摸不定的技术革命 量子纳米成未来热点

爱因斯坦至死恪守着决定论观念,认为物体不只在被观察的时候才遵守决定论,而是在任何时候都遵守决定论
量子力学理论导致了许多伟大的发明,包括激光、晶体管、集成电路,几乎整个电子领域都少不了它。如果量子力学理论忽然失灵了,那么现代化的仪器设备将无法运作,整个世界将陷入瘫痪。量子力学的方程式可以帮助工程师设计微小的开关,以决定电流的流向,进而控制电脑、数码相机以及电话。现今所有的信息产业设备都以量子力学为基础,它们为什么能够正常运作?因为量子力学是正确的,虽然量子是捉摸不定的。如果没有量子力学,我们就会回到19世纪,回到蒸汽机和电报的时代。
激光技术
激光是“由辐射的受激发射引致的光放大”的缩写,它是一种民用和军事应用非常广泛的技术。但是它的应用却经历了一个由理论到实践的漫长过程。1906年,爱因斯坦利用波耳氢原子理论预言光子的受激发射,可以导致一种链式反应的方式放大光束,但是从理论到应用几乎经历了近60年时间。
1954年4月初,第一台微波激射器诞生了,这是美国物理学家汤斯发明的。微波激射器成功之后,汤斯又决定制作可见光激射器——激光。1960年美国物理学家迈曼制作出第一个可以使用的激光器,这种激光器直到今天还在广泛使用。
美籍华裔物理学家朱棣文和法国的克劳德·科昂-唐努日以及美国的威廉·菲利普斯三人利用激光冷却和捕陷方法,可以让原子冷却不动而被囚。他们三人也因此共享1997年度的诺贝尔物理学奖。
超导和超流
超导在1911年就由荷兰物理学家昂萨格发现,但是直到1957年才由三位美国物理学家巴丁、库珀和斯里弗用量子力学理论做出正确的解释。这一理论用他们三人姓的第一个字母,称之为BCS理论。然而在1986年出现高温超导以后,用BCS理论无法解释高温超导体的各种性质,因此物理学家还需要进一步努力探索,才能全面解决超导理论。
1940年,苏联物理学家卡皮查发现了超流现象。例如,在超导状态时的液体可以反抗重力往上流动,因此可以从容器内部沿器壁内部爬到顶端越过器壁到容器外边,这被称为“爬壁”现象。与“爬壁”类似的是氦还有“喷泉”效应,即在氦中插入一根细玻璃管,氦在管内液面会比外面高,当玻璃管足够细时,氦可以由细管里喷出,像公园的喷泉一样。1940年,苏联物理学家朗道利用量子力学理论,解释了超流产生的原因。他们两位也因为这一贡献,先后获得诺贝尔物理学奖。
量子隧道效应和种种技术上的利用
量子力学里有一个被实验证实的“隧道效应”,即粒子可以穿过经典物理看来不可逾越的势垒,到达势垒外面。隧道效应最惊人的技术应用就是扫描隧道显微镜,它的发展同其他许多科学技术突破一样,是天才和勤奋、资本与运气的共同产物。1982年,瑞士的罗雷尔和德国的宾尼希利用扫描隧道显微镜(STM),能够扫描小到原子尺度的一些结构,解决了一个困扰了科学界很长时间的难题——硅表面原子排列方式。后来,IBM研究中心的一个研究小组,利用STM这种移动原子的能力,把原子排列成了“IBM”的字样。
1985年,宾尼希与同事们一起研制了一种新的扫描探测显微镜——原子力显微镜(AFM)。AFM现在已经成了一种表面分析的标准仪器,是STM的重要补充。
普利西娜小姐
利用激光冷却技术可以使得原子或者其他将要研究的粒子在空中飞行的时候“冷冻”住,然后设下激光陷阱把原子或粒子捕捉住,并使它们固定在空间某个地方“囚禁”起来。1990年2月,西雅图华盛顿大学的德默尔特成功地捕捉到一个正电子,并将它完好地保存达3个月之久。他把这个囚禁起来的正电子称为“普利西娜小姐”。这是前所未有的巨大技术成就,因为我们知道正、反粒子相遇,会立即发生湮灭,化为一缕青烟转变成光子,消失得无影无踪。
纳米技术
纳米是一个长度单位。1纳米是百万分之一毫米,即1毫微米,或10-9米。1纳米约有45个原子串起来那么长。形象一点说,把1纳米长的物体放在足球上,就好比把一个足球放在地球上一样。所以我们用肉眼看不见几纳米长的物质。
当物质尺寸小到纳米级时,会出现许多人们意料不到的奇异特性,很多在宏观和微观的物理规律不再适用。例如,电学里的欧姆定律就不适用于纳米材料;过去常常用来描述原子集体行为的概念也不再适用。这类奇异的特性还很多。到纳米级时,物质的光学性质(超微颗粒都呈黑色)、热学性质(熔点降低)、磁学性质(矫顽力增加)以及力学性质(韧性增加)等等都与宏观状态的不同,千奇百怪,让人眼花缭乱。还有量子力学中的尺寸效应和隧道效应,也都改变着纳米材料的性质,为实际技术应用带来了广泛的可能性。纳米狂飙将横扫传统经济的各个行业,让它们爆发出巨大的能量。
研究表明,适宜的纳米材料(如碳原子构成的小管子)可以制造出防护性能更好的装甲、更轻的武器和不被雷达发现的涂料。还有,“智能灰尘”“武装苍蝇”的研究,已经不是秘密,这些新型武器能使敌对方防不胜防。一旦把智能灰尘撒到敌方,其传感器就能神不知鬼不觉地执行侦察任务。
总之,纳米材料的应用范围没有限制,会引起各行各业革命性转变。正因为如此,各国政府都在高度关注和积极从事这方面的研究和开发。
量子计算机
量子力学中模糊的不确定性还有很多其他的用武之地。美国麻省理工学院(MIT)的赛斯·罗伊德(Seth Lloyd)就是众多想要开发量子力学新用途的科学家之一,他说,“量子力学十分诡异,但它就是这样。生活给我们的是个怪现象,我们是否可以研究出怪用途呢?”罗伊德所谓的怪用途,是指量子计算机。
科学家正在研制的量子计算机内部是个金铜质装置,这也许和你家的笔记本电脑不太一样,但是它们用的是同一种语言,即“二进位码”。电脑语言是由0与1所组成的,称为“位元”(bit),也就是说最小的信息单位是位元。电脑所做的事情就是把信息打碎成最小的位元单位,然后再进行快速计算。量子计算机也是以位元为单位来处理数据的,但是与传统的位元不同,传统的位元只能是0或1,量子位元则更有弹性。物体的位置能表示为一个位元,而如果可以做到同时处于不同位置的话,我们就得到了一个量子位元(quantum bit)。
就如电子自旋可以是顺时针与逆时针的混合体,量子位元也是一种混合体,能既是0又是1,所以量子位元可以“多功处理”,即同时进行多项处理,这样就能够以超乎人类大脑所想象的方式进行计算。理论上,量子位元可以由任何一种以量子形式存在的物质组成,比如电子或原子。量子计算机的核心部分是小型的超导线圈,由纳米科技打造,可以同时双向运作。
既然量子位元十分擅长多工处理,如果可以做到让量子位元协同计算的话,电脑的运算速度将会有指数级增长。举个例子说明一下量子计算机的强大之处,想象你被困在了一个篱笆迷宫里,你想要尽快找到出口。问题是,可以走的路太多了,而你却只能一次试一条路,这就意味着要走很多死胡同,碰好多次墙,转错好多个弯,直到你终于幸运地找到了出口。这就是现今所有电脑解决问题的方式,虽然它们的运算速度的确很快,但一次只能执行一个任务,就像你一次只能走迷宫中的一条路一样。而如果你可以同时尝试所有路径,那么情况就不同了。简单来说,量子计算机就是这么运作的,因为粒子可以同时处于多个位置,电脑就可以同时分析处理大量的路线与解法,并在短时间内找到答案。
传统电脑的运算速度已经够快,但是想象一下拥有千万上亿种可能性的问题,比如预报天气、地震、飓风等等的自然灾害,目前想做到这一点几乎是不可能的,因为这会极大地增加电脑的体积。而一台量子计算机可以只动用数百个原子就能解决问题,所以量子计算机的核心将会比一粒沙子还要小。