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數字化轉型正在以前所未有的速度改變世界。 隨著另一波能夠以驚人的速度和能力改變現有模型的新技術浪潮即將到來:量子計算,了解數字時代的關鍵概念將變得更加重要。
在本文中,我們比較了傳統計算和量子計算的基本概念,並開始探索它們在不同領域的應用。
什麼是量子特性?
縱觀歷史,人類通過科學了解自然的運作方式,從而發展了技術。 1900 年代至 1930 年代,對一些尚未被充分理解的物理現象的研究催生了一種新的物理理論:量子力學。 該理論描述並解釋了微觀世界的運作方式,即分子、原子和電子的自然棲息地。
它不僅能夠解釋這些現象,而且還使我們能夠理解亞原子現實以一種完全反直覺、近乎神奇的方式運作,並且發生在微觀世界中的事件在微觀世界中並不發生。宏觀世界。
這些量子特性包括量子疊加、量子糾纏和量子隱形傳態。
- 量子疊加 描述粒子如何同時處於不同狀態。
- 量子糾纏 描述了兩個粒子如何進入“糾纏”狀態,之後無論物理距離如何,幾乎同時以相同的方式做出響應。 換句話說,它們可以根據需要放置得盡可能遠,並且當與其中一個交互時,另一個也會對相同的交互做出反應。
- 量子遠距傳物 利用量子糾纏將信息從空間的一個地方發送到另一個地方,而無需穿越空間。
量子計算基於這些亞原子性質的量子特性。
在這種情況下,今天通過量子力學對微觀世界的理解使我們能夠發明和設計能夠改善人們生活的技術。 有許多不同的技術利用量子現象,其中一些技術,例如激光或磁共振成像 (MRI),已經存在了半個多世紀。
什麼是量子計算?
要了解量子計算機的工作原理,首先解釋一下我們每天使用的計算機(在本文中稱為數字計算機或經典計算機)的工作原理是很有用的。 與平板電腦或手機等所有其他電子設備一樣,這些設備也使用位作為其基本內存單位。 這意味著程序和應用程序以位編碼,即以零和一的二進制語言編碼。
每次我們與這些設備中的任何一個交互時,例如通過按下鍵盤上的按鍵,都會在計算機內創建、銷毀和/或修改一串零和一串。
有趣的問題是,這些零和一在計算機內部的物理意義是什麼? 位的零和一狀態對應於電流流過或不流過稱為晶體管的微觀部件,晶體管充當開關。 當沒有電流流動時,晶體管處於“關閉”狀態,對應於位 0;當有電流流動時,晶體管處於“導通”狀態,對應於位 1。
在更簡化的形式中,就好像位 0 和 1 對應於空穴,因此空穴是位 0,被電子佔據的空穴是位 1。現在我們已經了解了當今計算機的工作原理,讓我們嘗試了解量子計算機是如何工作的。
從比特到量子比特
量子計算中信息的基本單位是量子位或量子位。 根據定義,量子位是兩能級量子系統,與比特一樣,它可以處於低能級,對應於定義為 0 的低激發或能量狀態; 或在高水平,其對應於較高激發狀態或定義為1。
然而,這就是與經典計算的根本區別,量子位也可以處於 0 和 1 之間無限多個中間狀態中的任何一個,例如一半 0 一半 1 的狀態,或者四分之三 0 和四分之一的狀態1. 這種現象稱為量子疊加,在量子系統中是自然現象。
量子算法:指數級更強大、更高效的計算
量子計算機的目的是利用量子位的這些量子特性作為量子系統,能夠運行使用疊加和糾纏的量子算法,以提供比經典算法更強的處理能力。
重要的是要指出,真正的範式轉變並不包括做與數字或經典計算機(當前的計算機)相同的事情,而是更快,正如許多文章錯誤地聲稱的那樣,而是量子算法允許某些操作被以完全不同的方式進行; 這通常更有效——也就是說,用更少的時間或使用更少的計算資源——。
讓我們看一個具體的例子來說明這意味著什麼。 假設我們在舊金山,我們想知道從一百萬條到達紐約的路線中哪一條是到達紐約的最佳路線(N=1,000,000)。 為了能夠使用計算機找到最佳路線,我們需要將 1,000,000 個選項數字化,這意味著將它們轉換為經典計算機的位語言和量子計算機的量子位。
雖然經典計算機需要一條一條地遍歷所有路徑,直到找到所需的路徑,但量子計算機利用一種稱為量子並行性的過程,本質上允許它同時考慮所有路徑。 這意味著由於所用資源的優化,量子計算機將比經典計算機更快地找到最佳路線。
為了理解計算能力的差異,我們可以使用 n 個量子位來完成相當於 2 個量子位的操作n 位。 人們常說,大約有 270 量子位 在量子計算機中,你可以擁有比宇宙中原子數量更多的基本狀態(更多不同且同時存在的字符串),估計宇宙中的原子數量約為 280。 另一個例子是,據估計,使用 2000 到 2500 個量子位的量子計算機,您幾乎可以破解當今使用的所有密碼學(稱為公鑰密碼學)。
就密碼學而言,使用有許多優點 量子計算. 如果兩個系統是純糾纏的,那就意味著它們是相互關聯的(即,當一個系統發生變化時,另一個系統也會發生變化)並且沒有第三方共享這種關聯性。
總結
我們正處於數字化轉型的時代,區塊鏈、人工智能、無人機、物聯網、虛擬現實、5G、3D打印機、機器人或 自動車輛 越來越多地出現在多個領域和部門。
這些技術旨在通過加速發展和產生社會影響來提高人類生活質量,目前正在並行推進。 我們很少看到公司開發利用其中兩種或多種技術組合的產品,例如區塊鍊和物聯網或無人機和 人工智能.
雖然它們注定會融合,從而產生指數級的更大影響,但它們處於發展的早期階段,並且開發人員和具有技術背景的人員稀缺,這意味著融合仍然是一項懸而未決的任務。
由於其顛覆性潛力,量子技術不僅有望與所有這些新技術融合,而且將對幾乎所有新技術產生廣泛的影響。 量子計算 將威脅數據的認證、交換和安全存儲,對那些密碼學發揮更重要作用的技術產生更大的影響,例如網絡安全或區塊鏈。
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