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量子信息技术概览

来源:《军事文摘》 编辑:孙其峰 庆柯欣夫 时间:2020-09-15

量子信息技术是量子物理与信息技术相结合的战略性前沿科技,主要包括量子计算、量子通信、量子雷达、量子探测等专业领域。量子信息技术学迅速发展成为一门新兴交叉学科,主要是以量子力学基本原理为基础,利用量子系统的各种相干特性进行编码、计算和信息傳输的信息科学。近年来,量子信息技术发展势头迅猛,巨大潜力日益显现,其各个细分领域均取得若干重大突破,各国在此领域的竞争也进入白热化。美国、英国、欧盟各国、日本等分别将量子信息技术提升至国家战略高度。在新时期,全球涌现“量子科技”潮,量子技术正从实验室走出来,在传感、通信、信息处理和安全等领域实现前所未有的跨越式发展。量子技术正成为近期科技创新的聚焦点,人类社会正在进入“量子信息技术”时代。

量子计算技术

量子计算理论是对微观世界一种运行机制的描述,是理解和预测物理宇宙性质的最为精确的理论。

量子理论主要遵循以下基本原理。一是波粒二元性,一个量子物体同时具有类波性质和类粒子性质,当系统遵循波动方程时,任何可测量的系统都能够返回一个与其一致的粒子。二是叠加性,一个量子系统能够同时存在两种或更多种状态,被称之为“叠加”或“叠加状态”。三是相干性,当一个量子系统的状态能够被一组复杂的数据所描述时,那么系统的每一种状态都是相干的。对于诸如量子干涉、量子叠加、量子纠缠等量子现象,相干都是必需的。四是纠缠性,纠缠是一些多粒子叠加状态(并非全部)的一种特殊性质,测量一个粒子状态时能够影响到另一个粒子,即使这些粒子相隔很远且无明显的相互作用。五是可测量性,量子系统从根本上改变了测量工作,在其处于一个确定的状态下时,系统处于与所测值相对应的状态。

量子计算机的运算速度远超传统计算机,主要是因为它们的基本原理不同。传统计算机采用的是二进制,它的基本单元是“比特”(bit),用“0”和“1”来表示,例如硬币的正和反两个面或者开关的开和关两个状态。而量子计算机的基本单元却是“量子比特”(qubit)。它不是一个“开关”,而是一个可连续调节的“旋钮”,你可以把它转到任何一个角度。

一个量子比特可以用布洛赫球(在量子力学中,布洛赫球面是二能级量子力学系统纯态空间的一种几何表示方法)来表示。相比于经典比特(信息量的最小度量单位)只有0和1两个点,量子比特的取值则分布在整个球面上,即球面上任意一点都可以是某个量子比特的值。这就不难理解量子计算机为什么能运算这么快了。

目前我们常用的经典计算机,在提取某个需要解决的问题时,需要把所有可能性列举并验证一遍,才能找到正确的信息,这相当于一个拥有双手的人,一个时间段只能做一件事情。而量子并行计算能够直接计算并提取出相应信息,相当于一个“千手观音”,可以同时做2的N次方双手可以做的事情。

量子计算主要有两种方法。一种方法是通过初始化量子系统状态,再运用汉密尔顿的直接控制方式来推进量子态演化,由此得到一个高概率的问题答案,进而得到预期结果。因为汉密尔顿通常是平滑形的,因此量子计算实质上是真正的模拟计算,且不能完全纠正误差。另一种方法叫做“基于门的计算”,类似于当今的经典计算方法,主要是将问题分解为一系列基本的“原始运算”或“门”,对于特定的输入状态会得到一个明确的数据测量结果,这种数据特性意味着这些设计类型能够以系统级的纠错来达成容错目的。当前,主要的量子计算机有模拟量子计算机、基于噪音的中等规模量子计算机、基于门的量子计算机,以及基于门的全纠错量子计算机。

量子化学、优化(包括机器学习)和破解密码是量子计算具有的最被认可的潜在应用价值,这些领域目前仍处于初始阶段。现有算法可能会以尚未预测的方式被改进或实现,而新的算法也可能会随着研究不断深入而出现。因此,除了密码学之外,难以预测量子计算将会带来怎样的影响。

量子计算的最好应用领域就是密码领域,也就是破解密码,这是一个基于数学的应用。对于密码学来说,未来运用Shor算法的量子计算机将对其产生深远影响。

量子模拟被认为是一种具有巨大潜力的具体应用,特别是在量子化学领域。虽然经典的计算方法在许多情况下都是非常有效的,但往往不能预测化学反应过程或区分反应阶段的相关物质,而量子计算机能够在经典计算方法难以解决的情况下,有效解决这些问题。

事实上,比起经典的化学反应速率常数计算法,早期的一种量子计算方法在速度上已经提高了好几个指数量级。量子计算与其他算法能够为人们打开一扇大门,让人们对物质的各种反应和状态有更深的洞察力,这些成果在能量存储、显示器件、工业催化剂以及药物开发等方面具有广阔的商业价值。

近几年,全球范围内在量子计算物理验证方面取得的进展是有目共睹的,并且也吸引了越来越高的市场兴趣和投资活动,但是在解决实际问题方面,国际公认短期内无法实现通用量子计算机的使用。根据赛迪智库电子信息研究所发布的《量子计算发展白皮书(2019)》,量子计算发展预计分为近期、中期与远期3个阶段。

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