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Are quantum computers already super-powerful?
2025/2/1
More or Less: Behind the Stats
C
Charlotte McDonald
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Peter Leek
Charlotte McDonald: 我今天要讨论一个数字,它有点像薛定谔的猫,到底是天文数字还是普通数字,取决于故事是否成立。一位听众David Lawrence向我们提出了这个问题,他在关于谷歌开发的新型量子计算机芯片的新闻报道中看到了这个数字。谷歌声称,他们的量子计算机芯片可以在几分钟内完成的任务,普通计算机需要10^24年才能完成。这虽然是个天文数字,远远超过了已知宇宙的年龄,但这是否意味着新型量子计算机已经问世了呢?它是否会让普通计算机看起来像算盘一样,能够完成普通计算机无法完成的可怕任务,例如通过破解所有加密来破坏比特币?
首先,什么是量子计算机?量子计算机是一种利用量子力学定律来解决某些计算问题的机器。
谷歌声称其量子芯片可以在几分钟内完成普通计算机需要10^24年才能完成的任务,但这可能只是炒作,我们需要仔细分析其背后的计算任务。
Peter Leek: 首先,我们需要了解你笔记本电脑和智能手机中使用的普通经典计算机。如果你深入研究计算机内部,你不会看到字母和单词。这些单词都将由一系列的0和1来表示。在基本的物理层面,计算就是围绕电路板上的导线移动电力的过程。0和1将以某种方式表示,例如导线上会有高电压或低电压。导线上会有一系列脉冲。这些高电压或低电压的脉冲串包含信息流。在计算语言中,信息的单位,可以是0或1的东西,被称为比特。8个比特组成一个字节。多亏了逻辑、数学和代码,有了这些0和1,所有这些兆字节的数据处理和存储,你可以创建虚拟现实世界、人工智能和电子邮件。你电子邮件中的文字,绝对的一切都被简化为由0和1表示。这就是经典计算机。量子计算机有什么不同呢?
首先,它的构成有所不同。不仅仅是标准的黄铜导线和电路板,而是保持在极低温度下的超导体。事实证明,如果你试图用超导体制造电路......并将它们冷却到极低的温度,你可以使这些电路完全遵循量子力学的规律,这可以用于量子计算。现在,量子力学定律描述了我们世界在最小尺度上的奇怪行为。我们没有时间深入探讨这个话题,所以我们只解释一下在实践中,遵循这些定律对计算机意味着什么。这回到了比特,0和1的流。对于量子计算机来说......可以是0或1的东西也可以同时是0和1。我会再说一遍。量子计算机中的比特可以同时是0和1。这只是当量子力学在非常小的尺度上起作用时发生的事情。恐怕你只能接受它。数学是有效的。它描述了所做的科学实验的结果。你接受它的反直觉性质。继续,量子力学的这一部分意味着,基本上,量子电路中的量子比特,或者称为量子比特,不是处于1或0的固定位置,而是处于所谓的1和0的叠加态。由于这个奇怪的事实,量子计算机可以执行的计算的复杂性会非常快地增加。不是简单的0和1的字符串......现在表示的状态数是所有可能的0和1的字符串......所有可能的组合,这很快就会产生比宇宙中原子数量还要多的数字,即使只有很少的比特。
关于谷歌量子芯片速度的声明是夸大其词的。关键是要理解,他们并不是说量子芯片能够让任何计算都比经典计算机快得多。量子计算机并不是速度更快的计算机。它们是一种特定类型的计算机,一种能够比经典机器更快地执行特定类型计算的计算机。但这肯定不是一台在所有计算方面都比任何其他计算机都快的机器。事实上,就原始速度而言,目前制造的量子计算机并不快。与经典机器相比。确实,有很多计算过程,普通计算机可以在五分钟内完成,但这些量子计算机却需要10^24年才能完成。是的,绝对的。绝对的。我认为公平地说,现在这种情况比反过来多得多。那么,谷歌量子芯片在五分钟内完成的具体任务呢?我们是否仍然应该印象深刻?这是仔细考虑了哪些计算任务可以在量子计算机上运行,而对于经典计算机来说却非常难以运行的结果。已经发现的东西叫做随机电路采样。这似乎基本上涉及到对量子计算机中正在进行的处理进行快照,这对于量子计算机来说显然很容易,而对于困在其二进制世界中的普通计算机来说却非常困难。这不是一件有用的事情。它不是虚拟世界、人工智能,甚至不是电子邮件。公平地说,谷歌及其芯片......并没有隐瞒其局限性。如果你仔细阅读他们的说法,他们并没有隐瞒它没有用。如果你只阅读标题,你可能会得出结论,这台机器比你阅读完整信息时更有用。现在,彼得显然认为量子计算机是一件好事。毕竟,他的工作之一是在一家量子计算公司。但这都需要更多的时间。我认为我们很可能会在大约五年后看到......出现的东西比人们现在展示的这些深奥的东西更有价值。从更长远来看,量子计算机可能能够进行一些非常困难的计算,在这种计算中,叠加的奇特性非常有价值,也令人恐惧。例如,它可以破解所有在线加密。但对于彼得来说,量子计算最合适的应用是量子宇宙本身。用它来弄清楚在量子力学起作用的非常非常小的尺度上,事物是如何运作的。因此,量子计算机可能能够发现新的材料、新的药物等等。模拟量子力学似乎是一种我们可能找不到用途的边缘事物,但模拟量子力学对于如此广泛的事物非常重要。所以,我的意思是,它对于理解物理学、化学、材料,最终是药物来说非常重要。所以,如果我们想了解药物如何与身体相互作用。这就是量子计算机可能发挥作用的地方。通往那里可能会有很多巨大而毫无意义的数字。
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