“九章”問(wèn)世,量子計(jì)算了解一波
2020年年尾,中國(guó)又增加了一項(xiàng)量子計(jì)算的重大成果——量子計(jì)算機(jī)“九章”問(wèn)世。這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)是由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、陸朝陽(yáng)等人構(gòu)建,據(jù)媒體報(bào)道,它是一臺(tái)76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算機(jī),它處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“富岳”快一百萬(wàn)億倍。也就是說(shuō),超級(jí)計(jì)算機(jī)需要一億年完成的任務(wù),“九章”只需一分鐘。同時(shí),“九章”也等效地比谷歌去年發(fā)布的53個(gè)超導(dǎo)比特量子計(jì)算機(jī)原型機(jī)“懸鈴木”快一百億倍。今天我們就來(lái)更深入了解一下“九章”量子計(jì)算機(jī)。
量子計(jì)算機(jī)為何取名“九章”。九章有幾種解釋?zhuān)紫葧?huì)想到的是戰(zhàn)國(guó)時(shí)期大詩(shī)人屈原的《九章》名篇。其次,“章”在古代也有圖案的意思,比如帝王冕服上的九種圖案,行軍打仗時(shí)指揮軍隊(duì)行進(jìn)的九種旗章。顯然這些與量子計(jì)算機(jī)沒(méi)有關(guān)系。“九章”在古代也有九疇的意思,傳說(shuō)是天帝賜給大禹治理天下的九類(lèi)大法,也就是《洛書(shū)》。洛書(shū),是一種關(guān)于天地空間變化脈絡(luò)圖案。它是以黑點(diǎn)與白點(diǎn)為基本要素,以一定方式構(gòu)成若干不同組合,并整體上排列成矩陣的圖式,以此矩陣建構(gòu)出宇宙時(shí)空合一,萬(wàn)物生成演化運(yùn)行模式。另外,古時(shí)候有一部影響深遠(yuǎn)的數(shù)學(xué)專(zhuān)著《九章算術(shù)》。這些應(yīng)該就是以“九章”命名量子計(jì)算機(jī)的原因。
量子不是指特定的某種粒子,而是具有量子效應(yīng)的分子、原子、電子、光子等微觀(guān)粒子。即一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個(gè)物理量是量子化的,并把最小單位稱(chēng)為量子。量子這一概念最早是由德國(guó)物理學(xué)家M·普朗克在1900年提出。量子效應(yīng)包括能量的不連續(xù)、位置不確定、狀態(tài)疊加、干涉、糾纏等。因?yàn)橹饕憩F(xiàn)在微觀(guān)物理世界,與牛頓經(jīng)典力學(xué)描述世界完全不同,因此將研究微觀(guān)物理世界的物理理論稱(chēng)為量子物理學(xué)?偨Y(jié)來(lái)說(shuō),量子物理學(xué)是研究微觀(guān)粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科,是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的基本理論。
量子計(jì)算機(jī)是用量子力學(xué)的疊加性原理制造的計(jì)算機(jī)。量子疊加指一個(gè)量子系統(tǒng)可以處在不同量子態(tài)的疊加態(tài)上。著名的“薛定諤的貓”理論描述的就是這種疊加態(tài)——“一只貓可以同時(shí)既是活的又是死的”。
具體來(lái)說(shuō),與普通計(jì)算機(jī)相比,普通計(jì)算機(jī)是將信息轉(zhuǎn)化為0和1,每個(gè)比特(計(jì)算機(jī)中信息量最小單位)要么是0,要么是1,再將他們進(jìn)行傳輸、運(yùn)算與存儲(chǔ)。而量子計(jì)算,則是利用量子天然具備的疊加性,0和1同時(shí)存在,就意味著很多個(gè)任務(wù)可以同時(shí)完成,因此具有超越計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力。
據(jù)介紹,“九章”量子計(jì)算機(jī)利用的是光子的量子效應(yīng),其構(gòu)成有兩大部分,一是由量子光源、量子干涉、單光子探測(cè)器等組成的光路,二是接收裝置。
“九章”的成果,就是實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性,或者說(shuō)實(shí)現(xiàn)了“量子霸權(quán)”。量子霸權(quán)是指量子計(jì)算機(jī)在某個(gè)問(wèn)題上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)。據(jù)介紹,九章處理“高斯玻色取樣”的速度比目前最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)快一百萬(wàn)億倍。在這一點(diǎn)上,“九章”量子計(jì)算機(jī)不愧是“一個(gè)最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)”“一個(gè)重大成就”(《科學(xué)》雜志審稿人評(píng)價(jià))。
【例1·單選】2020年12月4日媒體報(bào)道,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、陸朝陽(yáng)等人構(gòu)建了一臺(tái)76個(gè)光子100個(gè)模式的量子計(jì)算機(jī),命名為( )
A. 天問(wèn)
B. 九歌
C. 九問(wèn)
D. 九章
【答案】D
【解析】本題考查時(shí)事熱點(diǎn)。2020年12月4日,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)宣布該校潘建偉等人成功構(gòu)建76個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)“九章”,求解數(shù)學(xué)算法高斯玻色取樣只需200秒。故本題選擇D。
【例2·多選】量子是指( )
A. 一種物理狀態(tài)
B. 一種特殊粒子
C. 一種基本單位
D. 一種物理量
【答案】CD
【解析】本題考查物理學(xué)知識(shí)。現(xiàn)代物理理論中,一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個(gè)物理量是量子化的,并把最小單位稱(chēng)為量子。所以,量子是一種量子化的物理量,是這種物理量的基本單位。故本題選擇CD。
【例3·單選】目前,量子計(jì)算利用的是哪種量子力學(xué)原理?( )
A. 量子疊加
B. 量子糾纏
C. 量子干涉
D. 以上都有
【答案】A
【解析】本題考查科技成就。量子計(jì)算是利用量子天然具備的疊加性,施展并行計(jì)算的能力。故本題選擇A。
(編輯:李晴晴)