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这是Sheldon的第33篇漫画,所有图片大约1.7MB。

联合标题头

量子力学说不定会成为

计算机系的必修课哦!

封面900x500

量子计算机短图_01

阿基米德说过,
“给我一根杠杆,
我能撬动地球。”

那么问题来了:
为了承受地球的重量,
这根杠杆得多粗多长?

量子计算机短图_02

同样的道理,
在计算机科学家眼中,
给他一台传统计算机,
就能对一切任务进行运算。

只不过有些任务比较复杂,
运算时间有点儿长。

量子计算机短图_03

所以,
从实践的角度讲,
传统计算机不是无所不能的。
在执行某些特殊任务时,
(比如令科学家头疼的NP问题)
它是“臣妾做不到的”。

量子计算机短图_04

2010年,
MIT的计算机科学家
阿伦森和阿尔希波夫提出,
在一种类似于高尔顿板的
量子光学系统中,
进行“玻色采样”的任务,
传统计算机就搞不定。

量子计算机短图_05

在这种量子光学系统中,
光子就相当于弹珠,
多光子干涉仪相当于钉板,
单光子探测器负责查看
光子从哪个口子跑出来。

量子计算机短图_06

玻色采样看似是个普通问题,
可一旦牵扯到量子力学
很多违反直觉的幺蛾子,
突然就冒出来了!

量子计算机短图_07

幺蛾子一:
波粒二象性

在量子力学中,
光子既是一种粒子
又是一种

量子计算机短图_08

一束波遇到障碍之后,
既会透射,又会反射
所以,
光子遇到分束器时,
既会透射,又会反射,
会同时从两侧跑出来。

量子计算机短图_09

幺蛾子二:
不可区分性

两个光子的情况就更复杂了。
首先,
两个光子可能完全一样,
你根本区分不了谁是谁。

量子计算机短图_10

幺蛾子三:
多光子干涉

在同时经过分束器的时候,
两个光子的分身们,
有可能会相互叠加
也有可能会相互抵消
最终结果很难一句话说明白。

量子计算机短图_11

幺蛾子四:
采样时波函数坍缩

当光子遇到出口的探测器时,
就会突然收起波动性,
展现出最初的粒子性。

一开始有两个光子进来,
最后只能让两个光子出去,
其余的“分身们”都必须消失,
这就是量子力学中的波函数坍缩。

量子计算机短图_12

总之,
玻色采样,
就是N光子跑进去,
又随机从其中N个出口
跑出来的过程,
全部归量子力学管。

量子计算机短图_13

阿伦森和阿尔希波夫证明,
用传统计算机解决这个量子问题,
采样的时间会非常长。

如果一共有N个光子参与实验,
传统计算机的采样时间,
就会呈N²×2N的规律增加,
比直接做玻色采样实验慢得多。

量子计算机短图_14

如果量子光学实验设计得合理,
肯定比传统计算机的速度快。

所以,
这个实验装置本身,
可以称之为一种光量子计算机
而它“计算”的内容,
正是对输出光子的分布进行采样。

量子计算机短图_15

如果光子的数量达到50个,
在传统计算机看来,
计算量就会增加到3百亿亿次!
即使你用上目前的超级计算机,
都不可能很快完成一次玻色采样,
只能直接在装置上做实验。
这就是一种“量子优越性”

量子计算机短图_16

实验装置说起来容易,
但实现起来却十分困难。

比如,
怎样才能干净利落地
产生单个光子?
怎样让产生的光子不可区分?
怎样才能降低玻色采样的损耗?

2017年5月,
这些难题
被中科大潘建伟、陆朝阳研究组攻克了。

量子计算机短图_17

如果利用这个装置
对三个光子进行玻色采样,
采集一个样本只需要0.2毫秒。

同样的任务,
如果由世界上第一台传统计算机
ENIAC通过计算完成,
则至少需要44毫秒。

可以说,
在这个特定的任务上,
量子计算机获得了胜利。
跟国际上其他同行类似的实验相比,
这个速度也快了24000倍。

量子计算机短图_18

不过,
目前这个装置,
只尝试了5个光子的实验。
若想秒杀超级计算机,
开展50个光子的实验,
科学家还需要努力。

况且,
玻色采样装置,
只能做玻色采样,
无法执行其他计算任务,
是一种非通用的量子计算机。

量子计算机短图_19

不过,
造出玻色采样装置,
也为制造通用量子计算机
扫清了重要的技术障碍。
因为高品质单光子源,
高效率干涉仪,
都是它通用的最核心部件。

除了光学装置之外,
科学家还借助很多手段,
尝试实现量子计算。
例如离子阱、核磁共振、
量子点、核自旋
超导等等。

2017年3月,
朱晓波、王浩华
和陆朝阳、潘建伟合作,
利用超导的方法,
制作了一个量子处理器,
还让10个量子比特
形成了量子纠缠。

量子计算机短图_20

在这个超导量子处理器中,
电磁波有两种能量不同状态。
一种状态表示比特0,
一种状态表示比特1。

根据量子力学的原理,
超导电路可以处于,
既是0又是1的叠加状态,
这就是传说中的量子比特

量子计算机短图_21

量子计算机的优势是,
当它有N个量子比特时,
由于状态相互叠加,
它最多可以同时处理
2N个状态!

但要注意,
这些状态的处理不是互相独立的,
也只能用特殊的方式提取结果的一个组合。

量子计算机短图_22

不过,
量子比特越多,
制造难度就越大。
在此之前,
科学家在超导量子计算中,
只能完全操控9个量子比特。

在这个超导量子处理器中,
中国科学家做到了
让10个量子比特形成了
最大程度的纠缠态。

量子计算机短图_23

量子计算机短图_24

一个计算机的运算过程,
就是操纵比特的过程。
让10个量子比特产生纠缠,
说明中国科学家
能够完全操控这10个量子比特。

量子计算机短图_25

这两个量子计算机的成果,
让中国科学家们
在通向更高级的量子计算的路上,
迈出了重要的不可或缺的一步。
在未来,
要想用上实用的量子计算机,
我们还有很多路要走。
期待那一天早日到来!

量子计算机短图_26

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9 Responses to “漫画 | 5分钟看懂中国最新的量子计算机”

  1. 匿名说道:

    然鹅,我还是看懵了……

  2. hab503说道:

    很厉害的样子

  3. 匿名说道:

    纠缠也有上限的吧。

  4. illusiwind说道:

    原来就这玩意……
    说白了其实跟我做了个重力珠排序算法的仪器,然后声称我制造出了比世界上所有计算机都更快的计算机一个意思。根本哪不挨哪。

    • gundamfire说道:

      看来又是只看了科普里比喻的那部分就立即下结论的人……在做这种判断前请先回去重新看清楚人家讲的是什么。

      • illusiwind说道:

        逗逼。
        你以为自己很懂么?
        滚回去学两年四大力学再回来撕。

  5. Galac说道:

    之前很多新闻报道了,看了这篇才知道原来光量子计算机是这个意思,还是"激动人心的实验进步"这个比较准确…毕竟是实质性的进步…期待~

  6. 星旅人说道:

    量子力学真唯美,不确实性让人摸不到头脑,但这就是量子自己的逻辑

  7. 匿名说道:

    很期待量子计算机出现的那一天

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