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屏住呼吸 量子计算机大幕正在开启

    天才们总是孤独地眺望人类的未来。35年过去了，巨人的期盼终于在无数科学家和工程师的努力下成为了现实。量子计算机不再是雾里看花的概念，而是成为了人类实实在在掌握在手中的科技利器——英特尔斥5000万美元投资的研究机构QuTech已经研发出17个量子比特的超导量子计算芯片，相关人员正在用最新算法模型对其进行性能测试。

    量子计算可以带来极高的计算速度、非常灵敏的探测器，并且能创建牢不可破的加密功能来保护重要的数字信息。

    QuTech是一家由荷兰代尔夫特大学参与创立，主攻量子计算和量子网络的先进研究机构。它的研究人员和英特尔正在努力研发量子位计算机芯片以及使用量子力学的专用系统。这个物理学分支聚焦于非常小的原子和亚原子粒子，有可能解开自然的奥秘、管理复杂的数字互联社会，甚至可能解决一些人类面临的最大难题。

量子计算的原理

    想知道量子计算的优势，必须从它的基本原理开始说起。在我国，量子光学的泰斗级人物郭光灿院士是这样解释的：

    “量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。考虑一个n个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2n个可能数据当中的某一个，若它是量子存储器，则它可以同时存储2n个数，而且随着 n的增加，其存储信息的能力将指数上升，例如，一个250量子比特的存储器（由250个原子构成）可能存储的数达2250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。

    “由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行，因此，量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2n个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2n次操作，或者采用2n个不同处理器实行并行操作。可见，量子计算机可以节省大量的运算资源（如时间、记忆单元等）。”

    是不是有些糊涂？不妨想象一下你在掷硬币时，结果要么是正面，要么是反面。而再想想一枚直立旋转的硬币，它同时保持正面和反面的状态。与传统计算机通过0和1进行数据储存和处理不同，量子计算机运用量子位处理数据，利用量子的相干叠加态，来并行处理计算，克服了半导体加工技术瓶颈对传统计算机的速度限制。

    这就是量子计算机和经典计算机的区别。当今的计算机可以分解几条指令，几乎同时处理它们，但是量子计算机可以并行处理多得多的指令。量子位能够代表非常多的状态，因此需要一种从根本上不同的计算方式。

7-qubit超导芯片是什么？

    英特尔量子硬件总监Clarke的团队制造了一个17量子位的超导芯片，目前正在QuTech进行测试。该芯片安装在实验室天花板悬挂的深冷圆柱形计算机内部，便于叠加和纠缠，因此超导电路的各种状态可以更快地执行指令，速度比经典计算机中使用的晶体管要快得多。

    虽然近几年与量子计算机相关的研究发展很快，但离它真正的商业应用还有着很远的距离。原因之一就是目前的量子比特极不稳定，任何细微的景噪音或热力学涨落都会让量子比特丢失数据。

    为了克服量子比特不稳定的问题，英特尔生产的这款只有五厘米的超导量子芯片需要在比外太空温度还低250倍的极低温度下工作。为了维持量子计算芯片在如此低的温度下工作，周围的设备非常大，看起来就像是科幻电影里孵化机器人的场景。

    芯片位于制冷设备的最中心位置，并通过带有微波连接器的电路板进行控制。为了激活量子比特，研究人员将高级命令编程为微波控制信号阵列，使量子比特在程序控制下相互作用、进行复杂的数学变换，相互作用，从而实现量子计算无限制的并行处理。

当量子迈入现实应用

    毋庸置疑的是，量子计算是下一次技术革命的核心，将彻底改写我们的生活。

    量子计算可以带来极高的计算速度和灵敏的探测功能，创建牢不可破的加密体系，保护重要的数字信息。在人工智能方面，量子计算可以让数字机器人的智能水平更加接近人类。在加密信息安全方面，“大数因子分解难题”是现在广泛用于电子银行、网络等领域的公钥加密体系安全性的依据，然而它却可以被量子计算轻松解决。

    同时，量子计算必将给人类带来下一代量子加密技术，开创量子计算将开创全新的密码学领域。其他可能的应用还包括制药、材料科学和物流优化等。

    此外，英特尔还在尝试不同材料，研发基于硅芯片的自旋量子比特。我们的最终目标是建立一个商业量子计算机，让政府和行业可以应对大数据的挑战。虽然听起来非常深奥，但等到这种计算机进入市场时，消费者可能就不会对量子物理学感到困惑了。

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