数字化转型正在以前所未有的速度改变世界。 随着另一波能够以惊人的速度和力量改变现有模型的新技术浪潮即将到来:量子计算,了解数字时代的关键概念将变得更加重要。
在本文中,我们比较了传统计算和量子计算的基本概念,并开始探索它们在不同领域的应用。
什么是量子特性?
纵观历史,人类已经发展了技术,因为他们通过科学来了解自然的运作方式。 在 1900 年代到 1930 年代之间,对一些尚未被很好理解的物理现象的研究产生了一种新的物理理论:量子力学。 该理论描述并解释了微观世界的运作方式,即分子、原子和电子的自然栖息地。
它不仅能够解释这些现象,而且还使人们有可能理解亚原子现实以一种完全违反直觉、几乎是神奇的方式运作,并且发生在微观世界中的事件不会发生在宏观世界。
这些量子特性包括量子叠加、量子纠缠和量子隐形传态。
- 量子叠加 描述了一个粒子如何同时处于不同的状态。
- 量子纠缠 描述了两个粒子如何进入“纠缠”状态,然后以相同的方式几乎同时响应,尽管它们的物理距离。 换句话说,它们可以根据需要放置在尽可能远的地方,并且当与其中一个交互时,另一个对相同的交互做出反应。
- 量子隐形传态 使用量子纠缠将信息从太空中的一个地方发送到另一个地方,而无需穿越太空。
量子计算基于这些亚原子性质的量子特性。
在这种情况下,今天通过量子力学对微观世界的理解使我们能够发明和设计能够改善人们生活的技术。 有许多不同的技术使用量子现象,其中一些技术,例如激光或磁共振成像 (MRI),已经存在了半个多世纪。
什么是量子计算?
要了解量子计算机的工作原理,首先解释一下我们每天使用的计算机(本文中称为数字计算机或经典计算机)如何工作是很有用的。 与所有其他电子设备(如平板电脑或手机)一样,这些设备使用比特作为它们的基本存储单元。 这意味着程序和应用程序以位编码,即以零和一的二进制语言编码。
每次我们与这些设备中的任何一个进行交互时,例如通过按下键盘上的一个键,都会在计算机内创建、销毁和/或修改零和一串。
有趣的问题是,计算机内部的这些零和一是什么? 位的零和一状态对应于电流流过或不流过称为晶体管的微观部件,晶体管充当开关。 当没有电流流过时,晶体管“关”,对应位 0,当有电流时,“开”,对应位 1。
在更简化的形式中,就好像 0 位和 1 位对应于空穴,因此空洞是 0 位,而被电子占据的空穴是 1 位。现在我们已经了解了今天的计算机是如何工作的,让我们试着了解量子计算机是如何工作的。
从比特到量子比特
量子计算中信息的基本单位是量子比特或量子比特。 根据定义,量子位是两级量子系统,与位一样,它可以处于低水平,对应于定义为 0 的低激发或能量状态; 或在高电平,对应于更高的激发状态或定义为 1。
然而,这与经典计算的根本区别在于,量子位也可以处于 0 和 1 之间的无数中间状态中的任何一种,例如半 0 和半 1 的状态,或四分之三的 0 和四分之一的状态of 1. 这种现象被称为量子叠加,在量子系统中是很自然的。
量子算法:指数级地更强大和更高效的计算
量子计算机的目的是利用量子比特的这些量子特性,作为量子系统,能够运行使用叠加和纠缠的量子算法,以提供比经典算法更大的处理能力。
重要的是要指出,真正的范式转变并不包括做与数字或经典计算机(目前的计算机)相同的事情,而是像许多文章错误地声称的那样更快,而是量子算法允许某些操作以完全不同的方式进行; 这通常更有效——也就是说,用更少的时间或使用更少的计算资源——。
让我们看一个具体的例子来说明这意味着什么。 假设我们在旧金山,我们想知道从一百万个到达那里的选择中哪条是去纽约的最佳路线(N=1,000,000)。 为了能够使用计算机找到最佳路线,我们需要将 1,000,000 个选项数字化,这意味着将它们转换为经典计算机的比特语言和量子计算机的量子比特。
虽然经典计算机需要一个接一个地遍历所有路径,直到找到所需的路径,但量子计算机利用称为量子并行性的过程,从本质上讲,它可以一次考虑所有路径。 这意味着,由于使用资源的优化,量子计算机将比经典计算机更快地找到最佳路线。
为了理解计算能力的差异,我们可以用 n 个量子比特做相当于用 2 个量子比特可能做的事情n 位。 人们常说,大约 270 你可以在量子计算机中拥有更多的基态——更多不同和同时的字符串——比宇宙中的原子数(估计约为 2)80. 另一个例子是,据估计,使用 2000 到 2500 个量子比特的量子计算机,您几乎可以破解当今使用的所有密码术(称为公钥密码术)。
就密码学而言,使用有许多优点 量子计算. 如果两个系统是纯纠缠的,那就意味着它们是相互关联的(即,当一个系统发生变化时,另一个系统也会发生变化)并且没有第三方共享这种关联性。
总结
我们正处于一个数字化转型的时代,不同的新兴技术,如区块链、人工智能、无人机、物联网、虚拟现实、5G、3D 打印机、机器人或 自主车辆 越来越多地出现在多个领域和部门。
这些旨在通过加速发展和产生社会影响来提高人类生活质量的技术目前正在同步发展。 我们很少看到公司开发利用两种或多种这些技术组合的产品,例如区块链和物联网或无人机和 人工智能.
虽然它们注定要融合并因此产生指数级更大的影响,但它们处于开发的早期阶段以及开发人员和具有技术背景的人员的稀缺性意味着融合仍然是一项悬而未决的任务。
由于其破坏性潜力,量子技术不仅有望与所有这些新技术融合,而且将对几乎所有这些技术产生广泛影响。 量子计算 将威胁到数据的身份验证、交换和安全存储,对那些密码学发挥更相关作用的技术产生更大的影响,例如网络安全或区块链。
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