科普:量子计算机是这样计算的

  次阅读 作者:智能小宝 来源:互联网 2016-04-02 20:25 我要评论(0)

来源:电子大爆炸

导读:AlphaGo大战李世石,最终以4:1击败李世石。计算机击败了人类已成事实,不用怀疑。当你知道量子计算机就是为“优化”问题而诞生时,你就会懂得这个结果将是必然。但是我们看到,部分媒体一知半解,过分渲染了量子计算机的能力,片面解读了它的计算优势。当您看了这两篇D-Wave公司的文章,您就会明白:什么是量子计算机、它是如何实现和工作的、它长得什么样、解决什么类型的问题等……D-Wave系统公司,是世界上第一个量产量子计算机的公司,堪称量子计算机的鼻祖。本文及下一篇文章都是翻译他们写的科普文章《量子计算入门》和《D-Wave量子计算机硬件介绍》,李电匠在此逐段逐段的翻译整合如下,之前的分开翻译的部分,请进入历史消息中查找。李电匠只有国家四级的英语水平,不当之处,敬请谅解!

本教程是想介绍量子计算中的概念和术语、提供一个量子计算机大致概念以及为何您可能会想去弄一个。这里的材料是用非常高阶的概念写的,目的是让那些有工科背景和无工科背景的观众比较容易理解。若您有物理、数学、编程方面的背景,则对您理解本文中的概念是有帮助的,但这并不是硬性要求。跟着本入门的阅读,您将学到:

1:量子物理是如何给了我们一种新的计算方式

2:量子计算和古典计算的相似性和差异性

3:量子计算的基本单元是如何用来解决难题的

4:为什么量子计算同样适用于人工智能、机器自学应用以及量子计算机可能会用作人工智能的协处理器

第一节

1.1 - 传统计算机原理

为了理解量子计算,我们先来了解一下传统计算机原理是有帮助的。我们采用了现代数字化计算机和它们的能力去执行大量不同的软件应用,比如,我们的台式机,笔记本和智能手机可以运行电子表格、流媒体视频、允许我们和世界另一端的人聊天以及让我们沉浸在栩栩如生的3D场景中。但是对于这些数字化计算机的核心来说,他们都有共同点:他们都是执行简单算法操作,他们的计算能力取决于能做这些事情的计算速度的极大值。电脑美妙执行数十亿条指令。这些指令执行的如此迅速以便于电脑可以允许我们运行非常复杂的高级软件。传统电脑的原理总体来说可以用图1来表示

图1,传统电脑中的数据流

尽管在许多领域中传统电脑很好的解决了很多问题,但在某些领域中使用传统电脑进行计算看起来非常困难。比如这些领域:图像识别、自然语言(让电脑理解我们人类所说的话而不是编程语言)、必须让电脑先学习相关经验才有能力处理的某些特殊的任务。甚至有些是在过去几十年已经投入大量努力和研究到某个领域,但我们在这个领域的进展还是很慢的,我们不得不去使用大量超级计算机去运算,消耗着大量的能源和空间。

我们可能会问:难道这世上没有其他设计计算机系统的方式吗?如果我们可以从挠头思考开始,做些完全不同的,使得计算效果在传统电脑发现很难的领域有较大的改进。那么我们怎样才能重新构建一种新类型的电脑呢?

1.2 - 一种新的计算方式

相对于将0和1组成的比特流转换成其他比特流的传统计算操作,量子计算是一种截然不同的计算方式。在量子计算中,一切都是变化的,不管是从我们经常理解信息比特的物理层还是操作他们的设备都完全不同。我们制造这种设备的方法是不同的,需要新材料、新的设计规则和新的处理器架构。最终,我们编写这些系统的方法也完全不同。本文将揭露这些问题的源头,也就是如何将传统的二进制0和1的信息表达方式替换成新的信息表达方式“qubit"(Q比特),这样才能改变我们对计算本身的思考方式。

1.3 - 电灯开关游戏

在了解量子计算之前,我们需要深刻理解为什么我们不能用传统数字计算机去解决某些问题。让我们思考这样一个数学问题去勾勒这一点,我们称之为电灯开关游戏。

电灯开关游戏涉及试图在一堆开关中寻找最好的设置。这里的一张图举例介绍这个问题:

图二,电灯开关游戏

让我们想象一下,每一个灯的开关有一个数字跟它紧密相关,是给你备选的的(你不要去改变这个)。我们叫这个数字是“偏差值”。你要做的是:对每一个灯的开关打开或者关闭进行选择。在我们的游戏中,打开表示1,关闭表示-1。我们紧接着把所有开关的偏差值乘以对应的打开/关闭的值。这将会产生一个结果。这个游戏的本意是设置所有开关打开关闭状态以求得最小值。在数学上,我们把每隔开关的偏差值定义为hi,开关设定称为Si

图三,玩电灯开关游戏,把每个开关的偏差值乘以他们的设定值(你必须选)后加总。

根据哪个开关是打开以及哪个开关是关闭的,我们将得到不同的分数。您可以试一下这个游戏。希望您能很轻松地找到,因为这有一个简单规则可以成功:

图四,请为这个开关设置的特殊“猜想”作答

我们发现如果我们设置所有带正偏差值的开关为关闭,将负偏差值的开关打开,然后再加总,我们将得到最小的一个值。容易吧?我可以给你无穷多个不同偏差值的开关,而你只用看把这些开关按这个规则打开关闭即可。

好,我们让这个问题更难一些。请想像一下有很多“对”开关有附加规则,这里的一是“一对”而不是一个开关。我们增加一个新的偏差值J,把两个开关的设定值相乘后与J相乘,我们把这样的规则用于每一对开关后的结果和之前的结果加总。还是一样,我们需要做的是,如何选择开关状态打开或关闭以适应这个新规则。

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