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量子计算:从“巨人计算机”到“量子位元”

作者:约翰·格瑞宾 著;王家银 译

出版社:湖南科学技术出版社

出版年:2017-11-01

页数:230

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内容简介

量子计算机不再只是科幻小说的素材。开创性的物理学家们即将为我们开启一个全新的量子宇宙,这个量子宇宙可以比我们的日常经验和常识更好地呈现真实世界。就像薛定谔著名的“既死又活的”猫一样,量子计算机的诞生依赖于同时存在于两种状态的电子、光子或原子等实体。量子计算机的出现必将颠覆现有的计算世界。

在他对这一尖端技术所做的有趣的研究中,约翰?格里宾更新了他之前对于量子世界的本质的看法。他认为存在一个由许多平行世界组成的宇宙,在其中“一切都是真实存在的”。回顾了艾伦?图灵对于恩尼格玛密码机的研究以及第1台电子计算机之后,格里宾解释了量子理论如何发展到不仅在原则上而且在实践中也可以让量子计算机进行运行成为可能。他让我们跳出理论物理学领域来探索量子理论在实践中的应用——从可以通过“直觉”、尝试和犯错中学习的计算机到无法入侵的笔记本电脑和智能手机。他对这一非凡的科学理论进行了深入研究,试图了解是否有可能用这个理论来创建一个通信速度比光速更快以及远程传送成为可能的世界。


作者简介

作者约翰·格里宾,英国著名科学读物专业作家,萨塞克斯大学天文学访问学者。他毕业于剑桥大学,获天体物理学博士学位,现在是萨塞克斯大学的客座天文学研究员。曾先后在《自然》志和《新科学家》周刊任职。1974年他以其关于气候变迁的作品获得了英国*佳科学著作奖。

约翰·格里宾著有50多部科普和科幻作品,其中的科学三部曲《薛定谔之猫探秘》、《双螺旋探秘》和《大爆炸探秘》尤为脍炙人口。此外,他还与妻子合著了一系列著名科学家的传记,而反映“科学顽童”费曼科学生涯的《迷人的科学风采——费曼传》更是广受好评。他还撰写了许多畅销书,其中包括《深奥的简洁》《欧米伽点》《大爆炸之探索》《起始》《宇宙指南》和《Q代表量子》。他的书已被译成多种语言,并在英国和美国得过奖。


精彩书评

“科普写作的大师”——《星期日泰晤士报》

“格里宾熟练地论述了薛定谔思想的关系和发现,包括他与爱因斯坦的通信,导致著名的“盒子里的猫”思想实验……任何希望在量子物理学里浸淫的人都会享受这种科学肥皂剧。但它是渴望理解科学发现的过程是如何工作的必读之书。”——《新科学家》


目录

第一部分: 计算 001

第一章 图灵和图灵机 003

第二章 冯·诺依曼和计算机 039

第一个插曲:传统计算机的局限性 069


第二部分:量子 073

第三章 费曼和量子 075

第四章 贝尔侦破纠结之网 103

第二个插曲:量子计算机的局限性 135


第三部分:用量子进行运算 139

第五章 多伊奇和多重宇宙 141

第六章 图灵的继承者和量子计算机 175

结尾: 失谐的量子 207

注释 210

参考资料和更多阅读材料 222

图片致谢 229


精彩书摘

实验和理论物理学家目前都对开发基于量子理论的计算机的前景感到欢欣鼓舞。军方(他们可以提供大量资金)和大公司也对此有着浓厚的兴趣。量子计算是21世纪前20年中*热门的科研课题之一,量子计算主要依靠对量子实体(电子,光子或单原子)的操纵,这些量子实体可以同时处于两种状态,就像薛定谔著名的“既死又活的”猫一样。下面是我的题目。

这是计算科学的一个分水岭,原因在于量子计算机不仅仅在运算速度上,在其他方面也远远超过了传统计算机。例如,量子计算机可以用来破解传统计算机完全不可能破解的密码,这也是军方和大公司感兴趣的主要原因之一。几十年前这一点在理论上就已得到了证明(理查德?费曼是第一个对这些问题进行思考的人);而目前实用的量子计算机已经投入使用了。不可否认的是:迄今为止,如果用量子计算机解决非常简单的问题,例如,找出15的所有因数,就需要大量昂贵又不太可靠的设备。但是所有见证了传统计算机从昂贵又不太可靠,动辄占据整个实验室、浑身遍布发光的“阀门”的机器发展到个人电脑和iPad整个历程的人都不会怀疑,10年内计算机世界将发生天翻地覆的变化。更神奇的是:这样的机器将使得物理学家可以更好地把握量子世界的本质,在量子世界中,通信的传播速度要超过光速;远程传输成为可能;粒子可以同时位于两个不同的地点。其影响目前尚不可知,但是可以说,量子计算机所代表的进步远远超越了传统计算机,就像传统计算机曾经远远超越了算盘一样。

传统计算机通常被称为“经典”计算机,可以对二进制数字或字节组成的信息进行存储和处理。这就像普通的开关,可以处于两种位置:开或者关,上或者下。开关的状态是由数字0和1来表示,计算机所有的操作就是以适当的方式改变这些开关的设置。当我写这些句子时,我的电脑上在运行文字处理程序,同时也在播放音乐,还有一个提醒我收到新邮件的电子邮件程序在后台运行。计算机之所以具有这些以及其他一些功能是因为0和1的字符串正在计算机的“大脑”内被移动和操纵。1

8个这样的比特[0或1]构成一个字节,此外,我们是在按二进制而不是十进制进行运算,乘法运算的步骤不是按照10,100,1000等进行递进,而是按照2,4,8,16这样进行递进。结果就是:210表示为1024,接近1000,又因为我们习惯于使用十进制,因此,1024个字节被称为千字节。同样,1024个字节构成一个兆字节,而1024个兆字节构成一个千兆字节。我的笔记本电脑的硬盘驱动器可存储160千兆字节的信息,而“计算机的大脑”- 处理器可以同时处理高达2千兆字节,这些字节都是以0和1字符串的形式进行存储的(而这样的计算机已经很落后了;今年的新型号计算机的功能要强大得多)。

相比之下,量子计算机则完全不同。在量子的世界中,电子等实体可以处于一种叠加状态。这意味着量子开关可以同时处于“开”和“关”两种状态,就像薛定谔的“既死又活的”猫一样。电子本身具有一种“自旋”的性质,这与我们日常生活中所指的“旋转”不同,但是可以认为这是指电子在做向上和向下的运动。假设“上”对应于0,而“下”对应于1,那我们就有了一个二进制的量子开关。在适当的条件下,量子开关可以同时处于“向上”和“向下”的状态。或者也可以处于“向上”的状态或“向下”的状态,这样就有了三种可能性!

一个处于叠加状态的量子开关可以同时存储数字0和1。借用经典计算机的语言来说,这样的量子开关就叫做量子位元,全称是“quantum bit”,读作“Cubit”,和圣经中的长度单位“肘”(Cubit)同音。量子位元就是指本书标题中的“量子猫”。量子位元的存在令人振奋。例如,两个传统的比特可以表示0到3这四个数字中的任何一个,它们有四种不同的组合方式:00,01,10和11。要同时表示所有的这四个数字(0,1,2和3),你就需要四对数字,即一个字节。但是只需要两个量子位元就可以同时表示所有这四个数字。作为一个数字像这样进行存储和运算的一组比特(或量子位元)叫做一个寄存器。一个寄存器由8个量子位元(=1个量子字节)组成,可以同时表示28个数字而不是4个数字。那么,一个量子字节中就可以存储256个数字。或者,正如牛津物理学家大卫?多伊奇所说,量子字节在多元宇宙中表示256个不同的宇宙,按某种方式进行着信息的共享。

在一台正在运行的量子计算机中,任何操作都需要同时在所有256个宇宙中,对所有由这个量子字节的信息所表示的256个数字中的每个数字进行处理,就像我们有256台经典计算机,每一台处理我们宇宙中的问题的一个方面,或者说,一台计算机需要运行256次,每求一个值都要运行一次。展望更远的未来,基于30个量子位元处理器的量子计算机将具有相当于一台传统计算机10万亿次浮点运算的能力(可以每秒进行万亿次浮点运算)— 这个速度超过今天的传统台式计算机一万倍,今天的计算机可以进行每秒10亿次浮点运算。这些数字预示着量子计算机的神奇能力;但是关键之处在于在计算结束后如何获取有用的信息——让不同的宇宙以适当的方式互相交涉以产生一个我们可以理解的“答案”,而不会在这个过程中破坏有用的信息。世界各地的数个研究团队已经掌握了这个方法,其中包括我所在的苏塞克斯大学的一个研究团队。这本书将告诉你,如何在原则上建造一台量子计算机。但是在这样的背景下,我想追溯一下机器计算的起源,如我们所知,要追溯到上个世纪30年代,这个时间比人类的寿命还要短,并且我还要介绍一下启动这一进程的人物的相关研究。


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