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“量子思考”可以对经典计算机科学,数学和密码学题产生新的见解

2020-01-18来源:炊烟美食

来源:老胡说科学

“量子思考”可以对经典计算机科学,数学和密码学题产生新的见解

。由IBM研究人员构建的一个硅芯片,内置三个量子比特,希望有朝一日可以构建包含数百或数千个量子比特的芯片。

有一天,量子计算机可能能够解决复杂的优化问题,快速挖掘大量数据集,模拟当前需要数十亿美元粒子加速器的物理实验,并完成超出当今计算机范围的许多其他任务。也就是说,如果它们是永久建造的。但是,即使令人生畏的技术挑战让梦想无法实现,理论家也越来越多地将量子计算的思想和技术用于解决经典计算机科学,数学和密码学中长期存在的长期问题。

佐治亚理工学院的密码学家和计算机科学家克里斯佩克特说:“关于量子计算机是否真正建成,存在着相当激烈的争论。” “但这是一个单独的问题,即量子技术或量子算法能否帮助你以新的方式解决问题。”

近年来,量子思想帮助研究人员证明了有前途的数据加密方案的安全性,称为基于格的密码系统,其中一些应用程序可以覆盖用户的敏感信息,例如DNA,甚至来自处理它的公司。量子计算证明还导致了最小长度的纠错码的公式,这是防止数据损坏的保护措施。

量子思想也激发了许多重要的理论结果,例如对旧的错误算法的反驳,该算法声称有效地解决了着名的困难旅行商问题,该问题询问如何找到通过多个城市的最快路线。

纽约大学的计算机科学家Oded Regev说:“如果它只发生一次,那将是一个巧合,但有很多例子,当我们'量子思考'并提出证据时。”

“量子思考”可以对经典计算机科学,数学和密码学题产生新的见解

。由于量子计算中出现的安全性证据,具有数百个维度的格子(而不是此处所示的三个维度)可用于数据加密

这个反复出现的主题导致一些研究人员认为量子计算不是计算机科学的深奥子领域,而是经典计算的泛化,就像多边形是三角形的推广一样。正如多边形可以具有任意数量的边,而三角形只有三个,量子计算机可以执行由任何数字(正数或负数,实数或虚数)表示的运算,而经典计算机上的运算仅使用非负实数。

作为更一般的情况,量子思想是开发更具体的经典计算证明的有力工具。“有许多经典问题与量子无关,但最容易通过推广到量子水平来分析,使用量子信息理论证明某些东西,并将结果缩减到经典水平,”罗纳德德说Wolf,荷兰数学与计算机科学中心的理论计算机科学家。

目前,估计只有不到5%的理论计算机科学家研究量子计算。但研究人员表示,最近“量子思考”的成功导致越来越多的理论家对他们的物理学进行了研究。量子计算的这些非常引人注目的衍生产品实际上已经让经典计算机科学家学习了一些关于量子计算的东西,“麻省理工学院理论计算机科学家Scott Aaronson说。

量子计算的目标是在量子尺度上利用粒子的特殊行为,以便执行传统计算机认为不可行的计算。普通计算机在晶体管中存储信息的“位”,其与开关一样,可以配置成两种状态之一,由“1”或“0”表示。量子计算机在亚原子粒子中存储信息的“量子比特”,例如作为电子或光子,它们可以存在于状态1或0中,或者存在于两种状态的叠加中,并且可以彼此纠缠,使得一个量子位的状态决定另一个的状态。

“量子思考”可以对经典计算机科学,数学和密码学题产生新的见解

。容纳三个量子比特的硅芯片的特写镜头视图。

叠加和纠缠导致量子比特与比特的行为非常不同。传统计算机中的两位电路只能处于四种可能状态中的一种(0和0,0和1,1和0,或1和1),而一对量子位可以是所有四种状态的组合。 。随着电路中的量子位数的增加,可能状态的数量以及系统中包含的信息量呈指数增长。只有几百个量子比特的量子计算机能够比现在的超级计算机更快地解决某些问题。

唯一的问题是,没有人设法构建量子电路,其量子位数比双手数量都多。IBM研究院超导量子计算小组的物理学家Chris Lirakis解释说,为了保持量子比特系统的微妙纠缠不被破坏,系统必须被隔离并冷却到接近绝对零度的温度。同时,量子位必须间隔约1厘米,以防止在一个量子位上执行的操作改变相邻值的状态。这一挑战将使一千个量子比特系统太大而无法适应能够实现这种极端冷却的冰箱。

“为了使系统可扩展,需要承担许多非常严重的工程挑战,”Lirakis说。“这是所有这些不同问题之间的这场拉锯战。”

Regev曾与Peikert一起使用量子思想来证明基于格子的密码系统的安全性,他说他希望量子计算机能够在他的一生中建立起来,这样他就可以看到它们在行动中。“但量子产生了如此巨大的影响,即使量子计算机从未建成,我也不会太在意,”他说。

随着量子技术在计算机科学家中越来越受欢迎,它们可能会产生更多的经典结果。“正是这些结果让我相信,即使宇宙不是量子力学,”Aaronson说,“最终计算机科学家会发明量子计算作为证明工具。”

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