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2013年3月25日星期一

量子计算机将带来速度革命

纽约时报中文网

Kim Stallknecht for The New York Times

洛克希德·马丁公司购买了一款D-Wave量子计算机,计划把它升级到商用规模。

不列颠哥伦比亚温哥华——我们的数字时代是由位元构建的。一个位元就是一个0和1的特定状态,由此产生出所有现代计算机编码。

但是现在,一家大型军工企业即将推出一种强大的新型商用电脑,它将把计算机技术带进量子力学的神奇亚原子世界。那是一个奇妙的微观世界,在那里,常识逻辑好像都不再适用。1可以是1,也可以是1和0,或者同时处于介乎二者之间的任意状态。

Kim Stallknecht for The New York Times

D-Wave公司创始人和技术主管乔迪·罗斯(左)和公司首席执行官维恩·布劳内尔。

Kim Stallknecht for The New York Times

D-Wave公司在不列颠哥伦比亚的实验室里一台量子计算机的处理器。

这听起来可能有些荒诞,尤其是对那些习惯于非是即否的传统计算技术的人。但是学院研究员和微软(Microsoft)、IBM、惠普(Hewlett-Packard)等企业的科学家的确是在开发量子计算机。

洛克希德·马丁公司(Lockheed Martin)两年前曾经购买了加拿大D-Wave系统公司(D-Wave Systems)的一款早期量子计算机。如今,它对这种技术已经有了足够的信心,决定把量子计算机升级为商用型,从而成为首家经营量子计算机业务的公司。

也有人并未信服,说D-Wave公司还不能对外界的科学家证明,它已经解决了量子计算的众多难题。

但如果新的计算机像洛克希德和D-Wave期望的那样运转,那么,它将可以极大地提升哪怕是如今最强大的计算机系统的运算能力,其处理科技和商务问题的速度,会比今天快数百万倍。

洛克希德公司的技术主管雷·约翰逊(Ray Johnson)说,公司将利用量子计算机开发和测试复杂的雷达、航天和航空器系统。这种计算机将可以完成许多任务,比如即时得出一个有几百万行代码的卫星网络管理软件遇到太阳黑子爆发或核爆炸冲击波时会作何反应。这类任务用今天的技术,即使可以做到,也要几周的时间。

"这将是一场革命,就像早期计算机革命一样,"他说,"它会改变我们对计算机的理解。"还有很多机构会发现D-Wave量子计算机的新用途。研究癌症的科学家认为,可以用它快速处理海量基因数据。量子计算还可能用于研究人类基因组中蛋白质的行为。这是一项比基因组测序更艰巨的工作。谷歌(Google)的研究人员也开始与D-Wave合作,利用量子计算机识别汽车和地面标志物,这将是管理自动驾驶交通工具的关键一步。

量子计算比传统计算技术快得多,是因为亚原子粒子的神奇特性。自从第一台计算机问世以来,我们用0和1的精确状态表达数据;而亚原子粒子则同时处于多种状态,量子计算利用的就是亚原子的这种特性。粒子之间不同的互动关系也可以同时并存。所有这些可能的粒子状态可以被缩小范围,在近乎无限多的可能性中得出一个最佳结果,从而实现快速解决某些类型的计算问题。

D-Wave公司总部在温哥华,已有12年的历史。目前,公司得到了多方投资,包括亚马逊(亚马逊运行着世界最庞大的计算机系统之一)的创始人杰夫·贝佐斯(Jeff Bezos)、投资银行高盛集团(Goldman Sachs)和投资公司In-Q-Tel,一家与中央情报局(Central Intelligence Agency)等政府部门关系密切的公司。

D-Wave首席执行官维恩·布劳内尔(Vern Brownell)说:"我们现在做的,是一种平行于过去70年来的计算机技术的开发工作。"

布劳内尔于2009年来到D-Wave。2000年以前,他一直是高盛的技术主管。"那时候,我们有5万台服务器,仅仅是为了进行模拟运算"来决定交易策略,他说,"现在的运算规模肯定比那时更大了。但是我们将可以只用一台机器,成本也低很多。"

研究人员致力于开发量子计算技术已经30多年了。但是要实现这个目标一直很困难。他们的思路是利用物质在量子状态下的一种特性。这种状态被称作叠加态。在叠加态下,量子计算机的基本单位,量子位元,可以同时承载极大量的数值。

科学家有多种方法可以创造达到叠加态和另一种被称作量子纠缠的状态所需的条件。量子叠加和量子纠缠都是量子计算所必需的。研究人员已经做到了使磁场中的离子悬浮,在硅中制造光子陷阱,或者操控磷原子。

洛克希德购买的D-Wave计算机使用的数学方法和竞争对手有所不同。在D-Wave计算机的系统里面,由极细的超导线网构成的量子处理器被冷却到接近绝对零度。然后,把一组数学公式加载到超导线网上,对处理器进行编程。

然后,处理器检索几乎无限多的可能性,判断出构建那两种粒子关系所需的最少能量是多少。这个被视为最佳结果的状态,就是问题的答案。

这种方法被称为绝热量子计算,很可能在计算蛋白质折叠等领域大有可为。D-Wave的设计师还说,这种方法可能还可以用来评估复杂的金融策略或庞大的物流问题。

然而,公司的科学家还没有发表任何科学数据,证明他们的系统运算速度比传统的二进制计算机快。植物也在利用类似的亚原子特性,在几微秒(百万分之一秒)甚至几奈秒(十亿分之一秒)的瞬间,把太阳光转化为光合能。但是对D-Wave量子计算持批评态度的人说,那根本不是量子计算,而是一种典型的热能行为。

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