光量子计算机时代的来临?
2017年5月17日
光取代电, 听起来是很合理. 在长途通讯上, 光纤取代了电缆. 20年前, 当我听说用新的DWDM技术能让光纤的通讯容量增加100倍, 兴奋不已. 节衣缩食用了几百块钱美金买这方面的书. 花了6个月的时间每天上Stanford大学图书馆,
研究光通讯这方面的会议资料. 可是这一次光量子计算机时代的来临, 心里却是疑虑重重.
大约5年前, 潘建伟用实验证明了长距离量子纠缠原理, 我觉得十分新奇. 去年8月中国发射了世界上第一颗量子卫星, 他利用量子纠缠原理实现了卫星和地面之间无法破解的保密通信.
因为只要外界非法侵入这个通讯系统, 就会改变量子纠缠状态, 系统就会察觉同时立刻发出新的密码, 使传送的讯息无法破解. 这个了不起的成就有广泛的应用, 它可以用在银行转帐, 军事, 国防, 外交以及种种商业机密上面.
一年多前中国用量子纠缠原理探测出一百多公里外的隐形战机, 发射和接受某类量子态的光源, 同时过滤掉不是这种量子态的背景信号. 这也是一个很好的应用.
以上两种都是靠单一讯息源的量子信息传输, 实现起来硬体比较简单. 而且这些都是市场上没有的东西, 只要能做出来就有立即的需要.
光量子计算机就不一样, 它不会比今天的CPU芯片小, 或是省电, 或是便宜, 或是更可靠, 或是更容易集成到整个系统里. 我们永远都看不见光量子计算机用在手机, 平板电脑, 笔记本电脑或是个人电脑里面.
它唯一的长处就是计算速度快, 而且必须要比20年后CPU芯片速度还要快, 否则还没做出来或是做出来没多久市场就不见了.
早期的计算机没有竞争对手, 只要一出来新的, 就有很大的市场, 所以不需要政府出什么研发经费, 企业就可以负担, 而且赚取了巨额的利润. 光量子计算机 一开始就有很高的技术门槛, 很高的研发费用, 利润可是遥遥无期.
光量子计算机最大的问题就是无法用集成线路的方式实现出来, 一个高档的计算机里面有许许多多的逻辑功能块, 有硬件加速器做科学计算, 必须要用浮点运算模块, 这些几100000门的功能模块如何用一堆金刚石激光实现和连结?
计算机还需要很多寄存器和记忆体, 这些随着计算机的速度加快而变大, 它们是用光的形式还是用电的形式实现的? 若是用电的形式, 每一次计算就要做一次光电和电光的转换, 这些都会把整个运算速度降下来.
光就像飞机, 电就像火车, 每一步计算若是进来的数据, 算出的结果都是用电的形式储存, 就好像飞机每到一小站, 就要降落卸货再装货, 然后再起飞. 假如不能把货都存在天上, 飞机不须降落或是起飞就可以卸货再装货, 这种好处就很有限了.
当然我必须承认, 量子计算是根据量子位元, 和我们熟悉的二进位很不一样. 量子计算有Peter Shor对分解质因数的算法比用普通计算机要快很多倍, 量子计算Glover对大数据库的搜索比用普通计算机快很多, 这些我都不懂.
不过我把这些归类到特殊应用上.
我觉得光量子计算应该先定位在像D-Wave那样的产品, 作为普通计算机的Attached Processor或是某些应用的硬件加速器. 先找些特殊的应用像是密码破解器, 因为他对存储的需要量不大, 对计算的要求非常大.
若是定位在一般用途的计算机, 那可是前途茫茫苦海无边.
超导的量子计算机就没有这样的问题, 它也有Josephson Junction 量子纠缠效应, 整个系统都可以用集成线路电信号的方式实现. 唯一欠的东风就是它需要在接近绝对零度液态氦的条件下才能运作.
如果能把温度提高到77开尔文度液态氮, 这个应用就会非常大.
中国本来就在高温超导的研究上领先, 若再继续努力, 把温度提高到77开尔文度液态氮, 就会有好几个大的应用.
超导量子计算会大大的普及, 医学上的核磁影像MRI费用会便宜很多, 磁悬浮列车会节省很多电, 也可以降低长距离送电损耗, 以及用在核融合上的超导磁铁. 做这方面研究并不需要一个很大的团队, 可以长期继续努力.
光量子計算機誕生 速度領先世界
