量子計(jì)算的優(yōu)勢
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量子計(jì)算的優(yōu)勢范文第1篇
doi:10.11772/j.issn.10019081.2013.07.1816
摘 要：
針對傳統(tǒng)Epidemic的性能缺陷，提出了基于控制機(jī)制的自適應(yīng)Epidemic 路由(AdEPI)算法。AdEPI算法采用受控洪泛機(jī)制和信息副本控制等機(jī)制，并引入信息生存時間和自適應(yīng)控制策略，在確保有較高到達(dá)率的條件下，取得了峰值傳輸控制、帶寬資源占用、緩存利用和時延等方面的綜合平衡。在VanetMobiSim仿真平臺上，對AdEPI算法進(jìn)行了VC++6.0編程實(shí)現(xiàn)和仿真，并與經(jīng)典Epidemic算法進(jìn)行了性能對比。仿真結(jié)果證實(shí)，AdEPI算法與Epidemic比較，付出較小的時延代價，卻具有了帶寬占用減少27.62%，峰值平均降低15.19%，緩存利用率提高92.14%等優(yōu)勢。AdEPI算法在上述三個方面的性能提升，具有工程意義和應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：稀疏車輛Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)Epidemic路由；受控機(jī)制；延遲容忍網(wǎng)絡(luò)
中圖分類號：TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
英文標(biāo)題
Adaptive epidemic routing algorithm based on controlled mechanism for sparse vehicle Ad Hoc networks
英文作者名
SU Chunbo1,2，XU Jiapin1*
英文地址(
1. College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China;
2. School of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu Sichuan 610059, China英文摘要)
Abstract：
量子計(jì)算的優(yōu)勢范文第2篇
該機(jī)器的名字也叫“D-波”，D-波公司宣稱這是一臺量子計(jì)算機(jī)，不管它是否真的利用量子效應(yīng)來運(yùn)行，都是業(yè)內(nèi)專家們爭論的主題。
只是模擬設(shè)備
在“D-波”中是用一個個超導(dǎo)線路來模擬量子或原子自旋，系統(tǒng)必須冷卻到接近絕對零度。自旋有“上”自旋、“下”自旋和“上下疊加”自旋。在“D-波”線路中，用電流方向來模擬自旋。
“D-波”是否真的在用量子效應(yīng)運(yùn)行？蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)理論物理學(xué)院教授馬提亞?特羅亞和南加州大學(xué)洛杉磯分校的同事一起，對那里的量子系統(tǒng)進(jìn)行了測試。經(jīng)過測試，研究小組得出的結(jié)論是不能一概而論：一方面，他們證明了“D-波”確實(shí)是利用量子效應(yīng)運(yùn)行的；而另一方面，研究人員也說：“‘D-波’只是一個模擬設(shè)備，一臺用于解決最優(yōu)化問題的樣機(jī)。對它更準(zhǔn)確的描述是，一臺可編程的量子模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)。”特羅亞說：“毫無疑問‘D-波’不是一臺通用量子計(jì)算機(jī)?！?/p>
量子效應(yīng)持續(xù)極短
為了對“D-波”進(jìn)行測試，研究人員寫了數(shù)千個復(fù)雜性不等的問題，把每個問題在3個系統(tǒng)上各運(yùn)行了一千次。一個系統(tǒng)是“D-波”，另兩個是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的最優(yōu)化問題模擬程序：一個考慮量子效應(yīng)，另一個不考慮。對于每個任務(wù)，研究人員記錄下各系統(tǒng)給出正確答案的頻率。結(jié)果“D-波”的表現(xiàn)和考慮了量子效應(yīng)的模擬程序相同，而有別于沒考慮量子效應(yīng)的模擬程序。
面對這樣的結(jié)果，研究人員也感到吃驚，因?yàn)椤癉-波”的量子相干持續(xù)時間極為短暫，只有幾十億分之一秒，而通常要解決一個最優(yōu)化問題需要的時間是這一時間的500倍。大部分專家認(rèn)為，“D-波”的量子效應(yīng)簡直不能發(fā)揮任何作用。不過特羅亞解釋說，“讓量子效應(yīng)在所有時間都保持相干也是沒有必要的”。
速度不比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快
人們在考慮建造量子計(jì)算機(jī)時，一個主要原因就是它將來可能大大提高計(jì)算速度，因此研究的另一個結(jié)論尤為重要：“D-波”的速度并不比一臺傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快。
量子計(jì)算的優(yōu)勢范文第3篇
美國：列入國家戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)系列突破
在美國，對量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究開始得較早，并最先被列入到國家戰(zhàn)略、國防和安全的研發(fā)計(jì)劃。
上世紀(jì)末，美國政府便將量子信息列為“保持國家競爭力”計(jì)劃的重點(diǎn)支持課題。而隸屬于政府的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）則將量子信息作為三個重點(diǎn)研究方向之一。隨后，美國加州理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院和南加州大學(xué)聯(lián)合成立了量子信息與計(jì)算研究所，直接歸美國軍隊(duì)研究部門管轄，從屬于美國國防部高級研究計(jì)劃局超大規(guī)模計(jì)算工程系統(tǒng)。體制上的規(guī)劃與布局，為各機(jī)構(gòu)與部門間的研發(fā)鋪平了道路。
早在1989年，美國IBM公司在實(shí)驗(yàn)室中以10bit/s的傳輸速率成功實(shí)現(xiàn)了世界上第一個量子信息傳輸，雖然傳輸距離只有32公分，但卻拉開了量子通信實(shí)驗(yàn)研究的序幕。1994年，美國國防高級研究計(jì)劃局便開始著手，用3到5年的時間全面推進(jìn)量子通信技術(shù)方面的研究，而且已經(jīng)通過軍隊(duì)實(shí)施了相應(yīng)方式的向戰(zhàn)場和向全球傳輸報(bào)文能力的量子通信計(jì)劃。
在大量科研資源與研發(fā)力量投入的情況下，美國在量子通信研究方面取得了一系列的突破。2000年，Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室宣布，他們于全日照條件下實(shí)現(xiàn)了1.6公里自由空間的量子密鑰分發(fā)，使量子通信向?qū)嵱霉こ袒~進(jìn)了一大步。不僅如此，在美國國防部2013年至2017年科技發(fā)展“五年計(jì)劃”中，“量子信息與控制技術(shù)”已被列為未來重點(diǎn)關(guān)注的六大顛覆性研究領(lǐng)域，同時將IBM、美國國防部高級研究計(jì)劃局、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領(lǐng)域的重要研究機(jī)構(gòu)；美國國防部支持的“高級研究與發(fā)展活動”（ARDA）計(jì)劃到2014年將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長距離光纖網(wǎng)絡(luò)。
如今，量子技術(shù)已經(jīng)成為美國軍方六大技術(shù)方向之一，即對未來美軍的戰(zhàn)略需求和軍事任務(wù)行動能產(chǎn)生長期、廣泛、深遠(yuǎn)、重大的影響。量子通信產(chǎn)業(yè)已滲透到美國國家發(fā)展的各個層面，包括國防、外交、經(jīng)濟(jì)、信息、社會等不同領(lǐng)域的內(nèi)容。
當(dāng)前，以美國為代表的世界主要軍事強(qiáng)國關(guān)注的量子科技發(fā)展動向主要涉及量子通信、量子計(jì)算及量子密鑰等領(lǐng)域。美國國防部高級研究計(jì)劃局啟動了多項(xiàng)量子通信方面的相關(guān)研究計(jì)劃，對其開展了廣泛探索?？梢哉f，量子通信技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無與倫比的廣闊前景。
在量子通信領(lǐng)域未來發(fā)展規(guī)劃下，美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室正在創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng)，同時美國非常重視量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)拓展，谷歌、微軟、IBM都已投入研究量子計(jì)算機(jī)技術(shù)，以量子計(jì)算機(jī)技術(shù)研究為突破點(diǎn)，延伸到物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)領(lǐng)域，形成規(guī)模優(yōu)勢。
歐盟：聯(lián)合攻關(guān)共建量子互聯(lián)網(wǎng)
提前“操練”，打牢根基，政策法規(guī)護(hù)航，并貫穿到與國家利益、國家安全以及國家對內(nèi)對外戰(zhàn)略影響相關(guān)的不同環(huán)節(jié)，這是歐盟在量子通信領(lǐng)域發(fā)展方面采取的主要手段。
早在20世紀(jì)90年代，歐洲就意識到量子信息處理和通信技術(shù)的巨大潛力，充分認(rèn)定其高風(fēng)險(xiǎn)性和長期應(yīng)用前景，從歐盟第五研發(fā)框架計(jì)劃（FP5）開始，就持續(xù)對泛歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點(diǎn)支持。
緊接著，歐盟了《歐洲研究與發(fā)展框架規(guī)劃》，專門提出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的《歐洲量子科學(xué)技術(shù)》計(jì)劃以及《歐洲量子信息處理與通信》計(jì)劃。與此同時，還專門成立了包括英國、法國、德國、意大利、奧地利和西班牙等國在內(nèi)的量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)。
2008年，歐盟《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》，提出歐洲在未來五年和十年的量子通信發(fā)展目標(biāo)。同年9月，歐盟了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書，啟動量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究，并聯(lián)合了來自12個歐盟國家的41個伙伴小組成立了“基于量子密碼的安全通信”（SECOQC）工程。這是繼歐洲核子中心和國際空間站后又一大規(guī)模的國際科技合作。自1993年開始，歐盟就加強(qiáng)了對量子通信技術(shù)領(lǐng)域的研究和開發(fā)，在理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上均取得了重大突破，涉及的領(lǐng)域包括量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。利用歐盟國家的聯(lián)合技術(shù)力量，在多個研究機(jī)構(gòu)之間形成有效的合作體制，是歐洲量子通信領(lǐng)域一直走在前列的“制勝法寶”。
在量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)的框架下，1993年至2011年期間，英國、瑞士、奧地利、德國、法國、瑞典等國的科學(xué)家曾連續(xù)創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)、量子密碼通信、太空絕密傳輸量子信息及量子信息存儲等一系列的根本性突破，為下一步量子互聯(lián)網(wǎng)的全面建設(shè)鋪平道路。
從2007年至2014年，歐盟開始致力于量子密碼通信和量子密集編碼研究，實(shí)現(xiàn)了量子漫步、太空和地球之間的信息傳輸，為衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面站之間進(jìn)行量子通信提供了可能性。
發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)就是為了構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。2008年以來，歐盟加緊推進(jìn)星載量子通信計(jì)劃。一場世界范圍的技術(shù)與才智競賽已悄然拉開帷幕。歐洲不應(yīng)落后，更不能讓人才和知識流失。于是，就在今年4月19日，歐盟委員會正式宣布，計(jì)劃啟動總額10億歐元的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目，目標(biāo)是建立極具競爭性的歐洲量子產(chǎn)業(yè)，包括量子通信、量子計(jì)算及量子測量等，以增強(qiáng)歐洲在量子研究方面的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力和卓越性。
日本：緊跟大勢有所作為
日本政府和科技界一貫重視量子科技領(lǐng)域的研發(fā)攻關(guān)，并將量子技術(shù)視為本國占據(jù)一定優(yōu)勢的高新科技領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)展、重點(diǎn)引導(dǎo)。
美國和歐盟在量子通信領(lǐng)域的一連串突飛猛進(jìn)，使日本備感形勢緊迫。
早在2000年，日本郵政省就將量子通信技術(shù)作為一項(xiàng)國家級高技術(shù)列入開發(fā)計(jì)劃，預(yù)備10年內(nèi)投資400多億日元，主要致力于研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術(shù)，并專門制訂了跨度為10年的中長期定向研究目標(biāo)，計(jì)劃到2020年使保密通信網(wǎng)絡(luò)和量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)達(dá)到實(shí)用化水平，最終建成全國性高速量子通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用上的飛躍，在競爭中占據(jù)先機(jī)。
在當(dāng)年題為《創(chuàng)造面向21世紀(jì)劃時代的量子信息通信技術(shù)》的報(bào)告中曾明確指出，國家應(yīng)該充實(shí)及完善該領(lǐng)域的研究開發(fā)體制， 并促進(jìn)民間企業(yè)和大學(xué)等進(jìn)行研究開發(fā)。在接到該報(bào)告書后，郵政省正式啟動了研究和開發(fā)量子信息通信的活動。該技術(shù)的實(shí)用化預(yù)計(jì)會發(fā)生在2030年至2100年期間。
盡管日本對量子通信技術(shù)的研究晚于美國和歐盟，但相關(guān)研究發(fā)展迅速。在國家科技政策和戰(zhàn)略計(jì)劃的支持和引導(dǎo)下，日本科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)積極性高漲，投入了大量研發(fā)資本積極參與和承擔(dān)量子通信技術(shù)的研究工作，實(shí)際地介入到量子通信技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)當(dāng)中。
數(shù)年前，日本提出了以新一代量子通信技術(shù)為對象的長期研究戰(zhàn)略，并計(jì)劃在2020～2030年間建成絕對安全保密的高速量子通信網(wǎng)。目前，日本每年投入2億美元，規(guī)劃在5至10年內(nèi)建成全國性的高速量子通信網(wǎng)。不僅如此，日本的國家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)（NICT）也啟動了一個長期支持計(jì)劃。日本國立信息通信研究院也計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼，到2040年建成極限容量、無條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。
高強(qiáng)度的研發(fā)投入，“產(chǎn)官學(xué)”聯(lián)合攻關(guān)的方式極大推進(jìn)了研究開發(fā)，推動了量子通信的關(guān)鍵技術(shù)如超高速計(jì)算機(jī)、光量子傳輸技術(shù)和無法破譯的光量子密碼技術(shù)的攻關(guān)和實(shí)用化、工程化探索，在量子通信專利申請上成績顯著。比如NEC、東芝、日本國立信息通信研究院、東京大學(xué)、玉川大學(xué)、日立、松下、NTT、三菱、富士通、佳能、JST等，各大企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在量子通信領(lǐng)域的專利申請量居全球領(lǐng)先，專利質(zhì)量較高，技術(shù)水平突出。
就目前而言，在量子通信領(lǐng)域的研究優(yōu)勢上，日本主要集中在延長量子通信傳輸距離、提高信息傳輸速度和改進(jìn)量子通訊的加密協(xié)議等方面。
量子計(jì)算的優(yōu)勢范文第4篇
量子計(jì)算機(jī)（Qantum computer），遵循量子力學(xué)的規(guī)律，進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算，是存儲和處理量子信息的裝置。如果裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法，那這個裝置就是我們下面要談的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對可逆計(jì)算機(jī)的研究，研究可逆計(jì)算機(jī)的目的就是為了解決計(jì)算機(jī)中的能耗問題。
只聞其名，量子計(jì)算機(jī)，大概就能猜到它是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器。要說清楚量子計(jì)算，首先要先看經(jīng)典計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器，其算法是由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來實(shí)現(xiàn)的。1920年，奧地利人薛定諤、愛因斯坦、德國人海森伯格和狄拉克共同創(chuàng)建了一個前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。量子力學(xué)的誕生為人類未來的第四次工業(yè)革命打下了基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)新技術(shù)，那就是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)概念最早由理查得·費(fèi)曼提出的，后來經(jīng)過若干年的研究，這項(xiàng)技術(shù)已初見成效了。
2013年5月23日，Google與NASA（美國宇航局）合作建立了一個實(shí)驗(yàn)室，其目的就是研究量子計(jì)算機(jī)。Google與高?？臻g研究協(xié)會（與NASA有密切合作的非盈利組織）購買了量子計(jì)算機(jī)，開始進(jìn)行量子計(jì)算的研究工作。
量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算的區(qū)別
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)利用幾百萬個電子晶體管進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，將0和1作為基本元素。量子計(jì)算則完全不同，它更有彈性，不再使用二進(jìn)位代碼，取而代之的是量子位元，又叫量子比特，它可以同時代表0和1。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行，但量子計(jì)算機(jī)要更為強(qiáng)大，它可以在量子比特上運(yùn)算，可以計(jì)算0和1之間的數(shù)值。假想一個放置在磁場中的原子，像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。按常識理解原子的旋轉(zhuǎn)可能向上，可能向下，但不可能既向上又向下。但在量子世界里，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，它一個向上轉(zhuǎn)的原子和一個向下轉(zhuǎn)的原子的總和，即每一種物體都可以被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來描述。
換一種表述，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能使用“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)來控制電流，而量子計(jì)算機(jī)具有“開”和“關(guān)”同時存在的第三種狀態(tài)，這是量子世界不同于粒子世界的特性。使用量子計(jì)算機(jī)能并行處理更多的信息，計(jì)算速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。要進(jìn)行量子計(jì)算并不容易，但在某些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)容易失敗的領(lǐng)域，它卻可以充分發(fā)揮優(yōu)勢。
量子計(jì)算機(jī)依賴的是量子機(jī)制來提高其計(jì)算速度，量子機(jī)制決定了所有物質(zhì)和能量的行為表現(xiàn)，即使只利用量子機(jī)制的簡單特性，構(gòu)造出的計(jì)算機(jī)表現(xiàn)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何一臺超級電子計(jì)算機(jī)。加拿大公司D-Wave表示，它的“Orion”只是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，并不是要取代誰。換句話說，量子計(jì)算機(jī)還沒有發(fā)展到可以“獨(dú)領(lǐng)”的地步。
用一個簡單的例子來描述量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的差別：在一個虛擬界面上存在山岡和低谷，目標(biāo)是找到最低點(diǎn)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是從一個點(diǎn)開始尋找，不斷搜索，有系統(tǒng)地搜索：是這里嗎？這里呢？查找的過程很慢，除非有無限的時間和無窮的耐心，否則就只能選擇“足夠好”。現(xiàn)在的答案固然不錯，但新的、更低的點(diǎn)也許在幾次計(jì)算后才出現(xiàn)。相比量子計(jì)算機(jī)的效率就要高得多了，因?yàn)樗梢酝瑫r用多個標(biāo)準(zhǔn)來評估，從而大大改進(jìn)計(jì)算的效率。
量子計(jì)算機(jī)無法替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)
IBM和微軟等許多公司都在研究量子計(jì)算技術(shù)。D-Wave是唯一銷售量子計(jì)算機(jī)硬件的廠商，公司表示，在少數(shù)復(fù)雜問題上，量子計(jì)算機(jī)的速度要比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快5萬倍。但需要注意的是，“高速”是有前提的，因此所謂的高速是受條件限制的。如果你只想發(fā)個郵箱、聽首音樂，量子計(jì)算機(jī)不會讓你覺得有什么太大的區(qū)別，但要完成復(fù)雜任務(wù)就不同了。Google Research工程主管表示，希望量子計(jì)算機(jī)可以讓研究人員更有效率地工作，更準(zhǔn)確地為一切研究建模，包括語音識別、網(wǎng)絡(luò)搜索、蛋白質(zhì)折疊等。
因此，量子計(jì)算機(jī)不會很快淘汰傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，它有自己的限制，而且它很難建造，價格很高。到目前，量子計(jì)算機(jī)大多是基于理論的，量子人工實(shí)驗(yàn)室設(shè)立的目的之一就是推動理論的發(fā)展。它的目標(biāo)是將理論用于實(shí)踐，解決現(xiàn)實(shí)問題，為真正的量子設(shè)備編寫代碼。
Google為什么對量子計(jì)算機(jī)感興趣
Google對新技術(shù)一直很癡迷，社交網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、自駕汽車，現(xiàn)在又是量子計(jì)算機(jī)。這些項(xiàng)目的相似之處，就是它們都可以強(qiáng)化公司的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。
Google希望利用量子計(jì)算更好地理解人類的語音提問，這項(xiàng)技術(shù)不只可以用在搜索引擎上，還可以用在移動應(yīng)用上，如Google Now和Google Maps。
Google稱：“我們已經(jīng)開發(fā)一些量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法。當(dāng)中一些可以提高識別能力，比如在移動設(shè)備電源不足時識別。一些可以處理高度污染的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在現(xiàn)實(shí)世界中，許多時候數(shù)據(jù)被貼錯標(biāo)簽。我們還可以從中學(xué)習(xí)到一些經(jīng)驗(yàn)，比如，純粹使用量子計(jì)算不會得到最好的結(jié)果，將量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)合會更好?！?/p>
在谷歌的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中，量子計(jì)算機(jī)會先進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，這是電腦學(xué)習(xí)的信息模式，可以提高它們的輸出“吞吐量”。然后，量子計(jì)算機(jī)要負(fù)責(zé)進(jìn)行個性化的互聯(lián)網(wǎng)搜索和以GPS數(shù)據(jù)預(yù)測交通的擁堵情況。另外，還要進(jìn)行面部或語音的識別、生物行為，或者是龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)管理工作。
Google官方博客表示，如果世界需要建立有效的環(huán)境政策，就需要建立更好的模型來描述全球的天氣和氣候，否則就不會有令人信服的證據(jù)。
谷歌已經(jīng)為量子計(jì)算機(jī)修改了機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這種算法原本由D-Wave系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)。D-Wave向洛克希德·馬丁公司出售了首臺商用量子計(jì)算機(jī)，洛克希德公司官員表示，計(jì)算機(jī)會被用于測試和測量工作，如噴氣飛機(jī)的設(shè)計(jì)或衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性。
量子計(jì)算機(jī)的廣闊前景
近年來，由于社會對高速、保密、大容量的通訊和計(jì)算的需求，促進(jìn)了量子信息、量子計(jì)算理論和實(shí)驗(yàn)的迅速發(fā)展。
2007年2月，加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。
2009年11月，世界首臺量子計(jì)算機(jī)正式在美國誕生，這一量子計(jì)算機(jī)由美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制，可處理兩個量子比特的數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的0和1比特，量子比特能存儲更多的信息，其性能大大超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
2010年3月，德國某研究中心發(fā)表公報(bào)稱其超級計(jì)算機(jī)成功仿真42位量子計(jì)算機(jī)。在此基礎(chǔ)上，研究人員首次可以仔細(xì)地研究高位數(shù)量子計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)特性。
IBM的科學(xué)家在量子計(jì)算方面取得重大突破，2012年1月完成系列量子計(jì)算試驗(yàn)，在絕對零度條件下證實(shí)了通過量子技術(shù)一秒鐘可以進(jìn)行億萬次運(yùn)算。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位非0即1，而一個量子可以擁有0、1以及同時0與1三種狀態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)突破允許科學(xué)家在初步計(jì)算中減少數(shù)據(jù)錯誤率，同時在量子位中保持量子機(jī)械屬性的完整性。
量子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行大數(shù)的因式分解和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對進(jìn)行量子通訊的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息。正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實(shí)現(xiàn)的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。此外量子計(jì)算機(jī)還可以用來做量子系統(tǒng)的模擬，一旦有了量子模擬計(jì)算機(jī)，就無需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上做數(shù)值計(jì)算，便可精確地研究量子體系特征。
量子計(jì)算的優(yōu)勢范文第5篇
關(guān)鍵詞：墨子號;量子衛(wèi)星;量子糾纏;量子密鑰;物理學(xué)
中圖分類號： TN219 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）30-100-2
0 引言
物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的一種自然科學(xué)，研究對象大至宇宙，小到基本粒子的質(zhì)量、運(yùn)動形式和規(guī)律等內(nèi)容。量子衛(wèi)星可謂是物理學(xué)中極大的天體物理和極小的量子力學(xué)理論的綜合應(yīng)用，意義重大。下面我想從2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”來談?wù)剬ξ锢韺W(xué)中量子物理發(fā)展的一些思考。
1 “墨子號”的由來
作為全球三大古老邏輯體系之一的墨家邏輯中的經(jīng)典著作《墨經(jīng)》中提出的“光學(xué)八條”中描述了墨子對光線的認(rèn)識，并成功設(shè)計(jì)了樸素的小孔成像實(shí)驗(yàn)，奠定了中國光學(xué)研究的基礎(chǔ)，所以我國發(fā)射的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星被命名為“墨子號”以紀(jì)念墨子先生。
2 為何發(fā)展量子通信技術(shù)和通訊優(yōu)勢
我們知道，20世紀(jì)初，量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識剛剛被奠定的時候，它帶給人們一種啟示，雖然它會時常使人感到困惑，因?yàn)榱孔恿W(xué)在微觀世界里已經(jīng)打敗了經(jīng)典力學(xué)古老的確定論，反復(fù)的討論可能性、可能結(jié)果的疊加。
我們假設(shè)一個物理量存在最小的不可分割的基本單位，則這個物理量是量子化的，并把最小單位稱為量子，所以我們常用量子去指一個不可分割的基本個體，例如“光的量子”是光的基本單位光子。當(dāng)然，所有可量子化的物理量其最小單位是特定的，而不是任意值。20世紀(jì)的前一半時期許多物理學(xué)家將量子力學(xué)視為了解和描述自然的基本理論，發(fā)展出了量子光學(xué)、量子計(jì)算等不同專業(yè)領(lǐng)域來研究。
量子計(jì)算領(lǐng)域利用量子效應(yīng)來控制和處理信息，它具有驚人的潛力，因?yàn)榻?jīng)典數(shù)據(jù)的二進(jìn)制“比特”一次只能取一個值，而量子的“量子比特”能夠在給定范圍內(nèi)代表任意及所有可能的取值：在被測量以前，它以所有的可能太的“疊加”形式存在。量子計(jì)算特別適合用于解決今天只能依靠“強(qiáng)力”處理器能力來解決的特殊問題―比如，幾十個量子比特陣列就能夠存儲超過太字節(jié)（萬億）的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)量。[3]
因此發(fā)展量子通信技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯，前景廣闊。
3 “墨子號”工作的理論基礎(chǔ)
1917年G.Vernam提出了“一次一密”（One-Time Pad）密碼體制[1][2]，C.E.Shannon于1949年用信息論證明了該密碼體制是無條件安全的[1][2]，這是目前唯一被證明是絕對安全的密碼體制。
由于量子信號的攜帶者光子在外層空間傳播時幾乎沒有損耗，如果能夠在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)糾纏光子再穿透整個大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性，人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信。此次發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完全由我國自主研發(fā)，突破了衛(wèi)星平臺、有效載荷、地面光學(xué)收發(fā)站等一系列關(guān)鍵技術(shù)，將在軌開展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、星地告訴相干激光通信等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
潘建偉研究小組在2003年開始研究自由空間量子通信，他們在實(shí)驗(yàn)點(diǎn)制備出成對的糾纏光子，再利用兩個專門設(shè)計(jì)加工的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡將容易發(fā)散的細(xì)小光束“增肥”后向東西相距13公里的兩個實(shí)驗(yàn)站送出，兩個接收端用同樣型號的望遠(yuǎn)鏡收集。
量子衛(wèi)星和地球通信是雙向的。衛(wèi)星和地面站都擁有發(fā)射端和接收端。發(fā)射端包含單光子光源和光束整形系統(tǒng)，接收端包含單光子探測器和成像系統(tǒng)。光束整形系統(tǒng)和成像系統(tǒng)把點(diǎn)光源變成平行光并將其匯聚到焦點(diǎn)上。發(fā)射端和接收端是靠激光聯(lián)系，它們之間有個大氣層――它是目前較大的麻煩。
經(jīng)過研究人員的種種努力，在如此遠(yuǎn)距離的傳送中，雖有許多糾纏光子衰減，但仍有相當(dāng)比例的“夫妻對”能存活下來并有旺盛的生命力，經(jīng)單光子探測器檢測，分居?xùn)|西兩地的光子“夫妻對”即使相距遙遠(yuǎn)仍能保持相互糾纏狀態(tài)，攜帶信息的數(shù)量和質(zhì)量能完全滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信要求。
在此基礎(chǔ)上，研究小組進(jìn)一步利用分發(fā)的糾纏光源進(jìn)行絕對安全的量子保密通信。13公里不僅是目前國際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠(yuǎn)距離，也是目前國際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發(fā)的最大距離。
4 我國量子通訊發(fā)展歷史和量子衛(wèi)星的前景展望
英國《自然》雜志中關(guān)于“量子太空競賽”中指出：“在量子通信領(lǐng)域，中國用了不到十年的時間，由一個了不起的國家發(fā)展成現(xiàn)在的世界勁旅，中國將領(lǐng)先于歐洲和北美......”可見我國量子通訊發(fā)展速度飛快。1995年，中科院物理所吳令安小組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國最早的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。2000年，該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實(shí)驗(yàn)。2002年至2003年間，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Gisin小組和我國華東師范大學(xué)曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。2006年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)，2009年，該團(tuán)隊(duì)又在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里。2013年，潘建偉團(tuán)隊(duì)又在核心量子通信器件研究上取得重要突破，他們成功開發(fā)了國際上迄今為止最先進(jìn)的室溫通信波段單光子探測器，并利用該單光子探測器在國際上首次實(shí)現(xiàn)了測量器件無關(guān)的量子通信，成功解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單光子探測系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患，大大提高了現(xiàn)實(shí)條件下量子通信系統(tǒng)的安全性。2016年8月16日我國發(fā)射的全球首科量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號”這既是中國首個、也是世界首個量子衛(wèi)星。
在我國，量子通信技術(shù)從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)化邁進(jìn)，面對國際上科技巨頭，如IBM、Bell實(shí)驗(yàn)室、德國西門子公司等都紛紛投入量子通信的產(chǎn)業(yè)化研究之時。我國將利用量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，作為保障未來信息社會通信安全的關(guān)鍵技術(shù)，而量子密鑰極有可能會進(jìn)入普通家庭，服務(wù)于社會大眾，成為電子商務(wù)、電子醫(yī)療、軍事科技等各種電子服務(wù)的驅(qū)動器，為當(dāng)今這個高度信息化的社會提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。
我國未來還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星，預(yù)計(jì)到2020年實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)。屆時，連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成，2030年左右將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。隨著量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，量子通信將迎來巨大的市場。有人預(yù)測，國內(nèi)量子通信短期市場規(guī)模在100億至130億元左右，長期市場規(guī)模將超過千億元。
5 量子技術(shù)的應(yīng)用對物理學(xué)發(fā)展的一些思考
量子通信技術(shù)的發(fā)展，基礎(chǔ)是物理學(xué)理論的發(fā)展，筆者認(rèn)為21世紀(jì)是要把微觀和宏觀整體地聯(lián)系起來。這種結(jié)合對應(yīng)用科技影響深遠(yuǎn)，我們回過頭來看看，目前的科學(xué)發(fā)明在19世紀(jì)末都是很難想象的！沒有20世紀(jì)初基礎(chǔ)物理科學(xué)的發(fā)展，21世紀(jì)的科技應(yīng)用和開發(fā)也無法迅速發(fā)展，那么，發(fā)展好當(dāng)代物理理論研究應(yīng)該對今后的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] ASSCHE G V.Quantum Cryptography and Secret-key Distillation[M].New York：Cambridge University Press，2006.
