量子计算机是什么东西 #F1080

量子计算机是什么东西 #F1080

量子计算机 = X

跟我念：埃克斯。小学三年级数学的那个“埃克斯”。


一）穷举法

近期中国量子计算机据说获得了突破。[1]
因为实在受不了文科生小编的报导。作为一个Top4的物理学正规生，让我来说说，量子计算机到底是个什么东西。

首先，我们来看一道数学题。
给你一个64位的数字。例如：
1100001111000011111100010011110011000001001011110101111000101111

写成8*8的方格，他是这样的：

1   1   0   0   0   0   1   1
1   1   0   0   0   0   1   1
1   1   1   1   0   0   0   1
0   0   1   1   1   1   0   0
1   1   0   0   0   0   0   1
0   0   1   0   1   1   1   1
0   1   0   1   1   1   1   0
0   0   1   0   1   1   1   1

把他的第一行，和第三行互换。
第二列，和第八列互换。
第五行如果累加超过3，就和第7行互换。
左上角9个数字，如果累加超过3，就和右下角互换。
把所有的数字，镜像对拷一遍。
把所有的011，替换成110，110换成101，101换成011
…………
…………

这样的操作，可以做无数无数次。
请问，我想要最后的结果，显示出 54992 4761052722 52202 （“中国万岁”）
我最初的输入码应该是多少？

这个问题，在传统的“电子计算机”上。他是无解的。
因为这个数学问题，不存在“逆算法”。

好比减法是加法的逆算法。
除法是乘法的逆算法。
对数是乘方的逆算法。

如果有了“逆算法”，他的工作量是等价的。除法的计算速度，和乘法一样快。

但是“现代密码学”，一般是没有逆算法的。
现在密码学最常用的，一个是排序，一个是替换。
这二个都是没有逆算法的。

在目前互联网上，最主流的DES加密算法。其“算法流程”是完全公开的。
私钥如何形成密钥。所有的算法完全公开。

我告诉你最终的密钥是“中国万岁”。
可是你要逆回溯。找出最初的64bit起始数据。那是千难万难。

我们现在使用的计算机，被称之为“电子计算机”。以硅基半导体为主。
现有的计算机，遇到这类问题。
全世界的特工情报部门。
他们一般的做法，是“穷举”。

2^64 = 1844 亿亿
仔细想想，也不是太大的数字。
特工部门，干脆就“暴力破解”。从1~1844亿亿，一个个数字暴力穷举。
你有几万台机器，日夜不停算上几年。也就算出来了。

因此在美国“出口法案”中。
DES64是允许出口的，DES128是禁止出口的。
美国是用DES128的，别的国家都是用DES64的。
在美国黑客眼里，其他所有国家都是透明的。


二）量子计算机

好了，现在量子计算机来了。
量子计算机破译这一类的问题，所需要的时间是：1秒钟

什么，1秒钟。
那么DES64不行，换DES128呢。也是一秒钟。
再换DES256，DES65536呢。还是一秒钟。
真心抓狂！

为什么，因为“量子计算机”的原理不同。
目前文科生小编所有写“量子计算机”的文章，都没有写到点子上。
量子计算机是什么，量子计算机就是X。

跟着我念：埃克斯。
小学三年级数学教的那个：X

量子计算机，就是一团凝固态的云。目前一般是“光子”。
这一团云的数值是什么。我不知道，也不需要知道。

然后我把这一团“量子”输送到量子计算机中去。
第一行和第三行互换。
第二列和第四列互换。
把011替换成110，把110替换成011
…………
…………

这些事全部都做完以后。他的结果，还是一团云。数值还是不知道。
假设输入端是X。
运算是f(x)
经过运算，输出端是Y=f(x)

量子计算机的高潮在于，你说:“神啊，我要求结果Y=500”。
神说，好啊，Y=500
然后你拿一丛111110100的光子束去冲击量子计算机。把“输出端”定格在500。
输入端偷偷飘下来一张纸条。

只要你告诉我Y期望值是多少。
我就立刻告诉你X应该是多少。
不管哪种f(x)

我擦，太牛了。研究不用做了。

有了“量子计算机”，这个人类的逻辑链就完全颠倒过来了。
“量子计算机”的意义在于，根据结果，倒求原因。

只要知道Y，“量子计算机”就可以告诉你X。
什么逻辑原理，什么推导顺序，什么穷举法。
统统都不需要。

在小说《魔盗》中有一个场景，史上最强大的魔法师，叫做开米尔迪特。
这个家伙本是一个废材。底层学徒，斗气，魔法全弱。
可是这个家伙，他精通“预言术”。

有过一次，开米尔迪特突发奇想。他在脑海里构想了一幅丹炉。乱七八糟加入各种魔法草药。
然后用“预言术”去看炼出来的结果。
预言的结果，不出所料99%都是渣。
高温高压呢，99.9都是渣。

但是，也有0.1%的机会，他可以用一些很普通的草药，练出绝顶仙丹。
因为有预言术，他可以廉价地做无数次实验。
靠吃药，嗑成了顶级高手位置。

接着他又幻想“逆行筋脉”。各种乱七八糟的练功方法。
乱练的结果，不出预料99.99%都是暴血而亡。
但也有0.01%的概率，他可以打通任督二脉。
于是这家伙凭借着“预言术”，自己摸索出一些练功方法。成为全魔法世界最强大的法师。


三）量子计算机的应用

量子计算机就是X，最适合用X的场合。
譬如前文说到的“破解密码”。这真是再量身定做不过了。只要X运行一遍，变成Y。
Y是明码密钥。破解这玩意，只需要一秒钟。

想开一点，在计算机系统引入“X”，还有很多的事情可以做。
譬如说，无数无数人在问的：“怎样设计超牛逼的战斗机”。

流体力学，始终是一个大麻烦。人类迄今为止，也没有解出流体力学的基本方程。
对于整个流体力学框架一无所知。
目前的流体力学，基本是靠计算机一帧一帧，硬算死算撑过去。
然后再飞机建模，在风洞里面吹。

而有了“量子计算机”。一切都不再成为麻烦。
飞机的外形，流线型应该是什么样子的。
臣妾不知道啊。假设为X。
输入到量子计算机算一算。外形为X的机壳，在7倍音速的飞行中，会导致周边空气音障产生怎样怎样的变化。
X一步步变成Y。
最后，我要求Ｙ=0.01，风阻小于某一个固定值。
打开量子计算机。立刻可以告诉你X，飞机的曲线形状。

再譬如说，现代化学，几乎就是“计算化学”。
人类要胜过上帝。人类要设计出一个化学分子式，具有怎样怎样的特效。
分子之间，通过化学键氢键互相连接。
若干个大分子之间，还会互相干扰。

在以往，这一整套的系统，被称之为“计算化学”。
也是靠GPU实打实地硬算的。无数无数个计算单元，无数无数刀片服务器。
多一个分子键，就要算好几个月。

但是有了“量子计算机”，这一切都不需要了。
你直接问：“我需要强度比钢筋强1000倍，重量比铝轻20倍，请问分子如何设计”。
知道了Y，三秒钟得出X。

再譬如说，靶向医药，抗癌。
人工降雨。大气调控。去哪里扇一下翅膀，就可以导致撒哈拉下雨。
怎样变变戏法，呼风唤雨，把北京的雾霾吹走。
下围棋，中盘下死阿尔法狗，赢你20目。
爆炸力学的精密解。

给你一盘胡萝卜炒肉丝，你告诉我胡萝卜原本长啥样的。

报告长官，我们在望远镜里看见了敌军指挥官。
请问我的炮弹要以怎样的仰角射出。
正好炸死敌军指挥官，炸不死他身边的猫。炮弹碎片还在背后的军旗上，拼出一个“SB”
答：用量子计算机。

“量子计算机”可以彻底改变我们这个世界的计算方式。许多神灵般的天算能力，你只需要给出答案，计算机会告诉你如何执行。


四）量子计算机的技术原理

量子计算机，主要通过“同源粒子对”来发生。

这是量子力学中的一种原理。
通过在虚空中产生一对“同源粒子”。则除了能量之外，其他任何物理学常数都守恒。相加必为零。
包括但不限于二者电荷，动量，角动量，自旋，费米数，宇称…………

现代物理实现，一般选择“自旋”这个量，因为实验好操纵一点。
然后把同源粒子，一个放在A容器，一个放在B容器。

A容器中的粒子，你可以尽情地蹂躏它。对它进行各种运算。
AND，OR，NOT，XOR，所有二进制算法都可以。

经过了很长一段时间操作，X变成了f(x)
然后你再用“指定结果”去冲容器A。强行规定f(x)=1

另一个容器中，B会自动失去量子态。固定在某个值：“假如f(x)=1，请回答x应该是多少”。

上面这一段话，已经很拗口了。可是你有没有仔细想一想，他真正的问题出在哪里。
他只有1个bit！

我们搞了那么大的工程，其实操纵的却只有一个1bit，只有微不足道的信息。

好了，现在搞复杂一点。我们搞4个bit。
一次性产生4个同源例子，abcd和-a，-b，-c，-d

第一组关在笼子A里面，进行各种复杂操作。
等运算完了，打开笼子B 。就回答了“若f(x)=0110，x应该是多少的问题”。

同时，4个粒子之间，也可以进行一些更加复杂的操作。
例如第一列和第二列互换。

人类的第一个“量子计算机”雏形。大约一直到2005年左右才完成。当时的处理能力，就是1bit。
此后，过了五年，2bit。
再过五年，4bit。

今天中国在“量子计算机”处于相对领先的位置。计算能力是多少呢。
坐好了，别跌下。
10bit。

也就是说，今天我们可以搞一个“X”的神谕。只要你告诉我f(x)的目标值，我可以立刻告诉你x应该是多少。
但是这个x，仅限于1~1024之间的某个数字。

你掰着指头算。
过一会也算出来了。

量子应用大事记
1982 年，诺贝尔奖获得者理查德· 费曼提出 " 量子计算机 " 的概念。
1994 年，贝尔实验室的专家彼得· 秀尔证明量子计算机能够完成对数运算，且速度远胜传统计算机。
1997 年，科学家首次用一对纠缠光子实现了量子信息传输。
2005 年，世界第一台量子计算机原型机在美国诞生，基本符合了量子力学的全部本质特性。
2007 年 2 月，加拿大 D-Wave 系统公司宣布研制成功 16 位量子比特的超导量子计算机。
2007 年，维也纳大学的安东· 齐林格和他的同事们用一对纠缠光子在加那利群岛的两个岛之间传输了一份量子信息，传送距离超过了 143 千米。
2010 年 1 月，美国哈佛大学和澳洲昆士兰大学的科学家利用量子计算机准确算出了氢分子所含的能量。
2010 年 3 月，德国于利希研究中心发表公报：该中心的超级计算机 JUGENE 成功模拟了 42 位的量子计算机。
2010 年，中国科大—清华大学联合小组成功实现了当时世界上最远距离的量子态隐形传输，传输距离达 16 公里。
2012 年 3 月，IBM 做到了在减少基本运算误差的同时，保持量子比特的量子机械特性完整性。
2015 年 7 月，中国科学院与阿里巴巴集团旗下阿里云共同成立 " 中国科学院 - 阿里巴巴量子计算实验室 "，开展在量子信息科学领域的前瞻性研究。
2016 年 8 月，我国自主研制的世界首颗量子科学实验卫星 " 墨子号 " 成功升空。
2017 年 3 月，马云宣布启动阿里巴巴的 "NASA 计划 "，并说 " 现在所研究的目标是为了解决 10 年、20 年后的困难。
2017 年 5 月 3 日，首个国产量子计算机能力超过早期经典计算机 [2]

顺便回答一个问题，类似于f（x）= x^2 - 5x + 6
F(x)=0，求x是多少。

这种初中生都会算的一元二次方程，任何人都知道X=2，或者X=3
但是如果你用“量子计算机”去算，答案是X=2，还是3呢。

答案是，二者都有可能。
一般量子计算机算题，需要重复做十几次，几十次。然后选出现频率最大的那个为准。

再譬如说，“下围棋赢李世石362目”，这种问题怎么解答呢。
答案是，跳不出X。还是混沌量子态。


五）量子计算机的童年

人类在“量子计算机”上面的进展十分缓慢。因为他的原料是“量子”。
是电子，光子，π介子，拜托！
这些东西，是以光速不停地晃来晃去的。尺度超级细微，要捕捉，并且稳定的控制它们，你知道有多难。

所有的“量子计算机”，都是在超低温，临界态下工作。
又或者“爱因斯坦—波色态”等等变态的量子云状态。
这对工作环境造成了极苛刻的要求。

更糟糕的是，二个4bit的X凑在一起，不一定能做出8 bit。
因为量子是有“简并态”的。

你一个容器里放了4个量子，小心翼翼祈祷他们保持稳定。
可是原子核这么大的地方，如果放进了8个量子，轨道就小很多了。
量子越多，越容易互相干扰。

二块4bit的量子云撞在一起，X1，X2或许就塌陷，死机了。
象D-Wave这种，搞512个1 bit并联，那是骗外行人的。[3]

破译密码，需要64位的“量子态”。
今天已经10位了，64位虽然很难，但至少也是有生之年看得见的。

但是之前说的，“设计飞机，设计流线体”。
这个X的要求就大了。谁也不知道多少位比特，才能描述一条曲线。
所以人类在量子计算机上，还有无数的路要走。

对于10 bit的量子计算机，在进行穷举算法时，效率是电子计算机的1000倍。
对于20 bit的量子计算机，在进行穷举算法时，效率是1000000倍。
对于30 bit的量子计算机，在进行穷举算法时，效率是1000000000倍。

而且仅仅有原型机不够的。
Bit的运算种类，速度，可靠性，微缩性，都有大量的工程要做。

目前的“量子计算”，NOT的算法，就是用电子束，精密地喷上去，再进行一次光耦合反应。
长此以往，这么高成本的行为，怎么吃得消。你不能要求每一次四则运算，都发生一趟正负粒子涅灭吧。

长远来看，“量子计算机”也需要发明磁芯之类的稳定存储器，12nm之类的精密线程。在运算速度和小型化上，都有很长的路要走。

（会不会死机，也有无数路要走）


六）结语

很多年以前，我们学小学数学时，老师总喜欢拿一些绕脑的应用题来虐我们。
例如小明的铅笔，分小王一半，分小李三分之一，小王比小李多五支，请问小明还剩几支。

诸如此类的噩梦，深深伴随小学一二三年级。以至于我们总以为老师存有一颗挂树的心。

从三年级开始，情况发生了质的改变。因为小学数学开始教X。
小明有几支铅笔，不要紧，可以假设为X。
小王1/2X
小李1/3X
1/2X – 1/3X = 5
你看，多简单的数学题！

有了X之后，我们理解和透析整个世界的方法简单了许多。
尤其是许多利息和存款成正比，dx=KX之类的问题。
这种东西，不列方程简直解不出来。
靠人想，想破脑子你也想不明白垂链曲线CH（x），想破头你也解不出“最快降落”问题。

同样道理，对于21cn的人类科学，也进入到了一个瓶颈。
有些东西，靠逻辑推理来想，是真心想不出来的。
譬如说，汽缸发动机，形状要如何设计，才能压缩比最高。
飞机的高速气动机翼，要怎样的流线型，才能阻力最小。

气缸形状的设计，燃油会在里面反弧再反弧，互相影响。差一点点热效率就差很多。
是“最初形状”的多次复杂方程。很难用逻辑解开。一般都是靠建模计算机硬算。

量子计算机的发明，其实就是21CN的X。
形状应该是什么。我不知道。但可以假设为曲线X。
恍惚之间，我拿到了小学数学成绩突飞猛进的钥匙。

（yevon_ou@163.com，2017年5月4日午）



[1]《中国光量子计算机诞生》
[2]这个表有一点错误。文科生小编混淆了“量子计算机”和“量子纠缠通讯”的概念。
[3]《D-Wave的量子计算机“真伪论”尘埃落定》

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