亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        通向量子計算和量子信息之路

        2020-11-24 05:14:48
        世界科學 2020年11期
        關鍵詞:麥克斯韋量子分子

        量子信息學是量子力學與信息科學、計算機科學的交叉學科。美國生物學家E.O.威爾遜(Edward O. Wilson)有一段話很好地說明了交叉學科的重要意義,他說:“科學是我們時代最大膽的形而上學,是人類的創(chuàng)造,相信如果我們有夢想,堅持去發(fā)現(xiàn)、解釋、再夢想,從而不斷進入新的領地,讓世界顯得更清晰,我們就能掌握宇宙的真正奇異之處,而這些奇異之處將會被證明是互相聯(lián)系,有意義的?!绷孔有畔⒕褪怯钪娴囊粋€奇異之處,反映了信息與物質的深刻聯(lián)系。

        不同學科的科學家給交叉學科帶來各自的特長。大數(shù)學家希爾伯特有一句幽默的名言:“物理學如此重要,不能留給物理學家?!笔聦嵣希柌貙V義相對論的數(shù)學形式做出過重要貢獻,當時對愛因斯坦構成競爭,讓愛因斯坦感到很大壓力。類似地,物理學家可以說,生物學是如此重要,不能全留給生物學家。事實上,正是物理學家協(xié)助開啟了分子生物學。

        物理學家還可以說,信息和計算是如此重要,不能全留給計算機科學家。這正是本文所要回顧的。我們將追溯物理學家所走的信息之路,從經(jīng)典信息到量子信息。

        量子信息并不是指經(jīng)典信息技術的量子物理基礎,雖然物理學對經(jīng)典信息提供了硬件基礎,電子計算機的器件(晶體管、存儲器等)中的電子也確實服從量子力學。量子計算也不是指關于量子力學的計算問題,不是計算物理。這些固然是重要的領域,但不是所謂的量子計算與量子信息。

        什么是信息

        信息的英文是information。顧名思義,信息是被告知的東西(Information is that which informs)。 信息是訊息(message)的內容,是對我們在獲得該訊息之前對它的無知程度的度量,是對不確定性的降低。當我們對于某件事的不確定性越大,就需要越多的信息來消除這個不確定性。信息的一個性質是,它可以編碼成各種形式。比如,同樣的思想可以用不同語言來表達。信息論中,信息用一個字符串來表達。

        信息不僅是個抽象的數(shù)學概念。信息離不開物理載體,又可在不同物理載體之間轉換。信息處理過程是物理過程,受物理規(guī)律主宰。比如,由聲音傳遞的信息取決于空氣和耳膜的振動,由文字表達的信息取決于粉筆灰或墨水的分布;磁存儲的信息取決于磁疇的狀態(tài);生命信息取決于遺傳物質中四種堿基的分布;神經(jīng)網(wǎng)絡中的信號取決于神經(jīng)元的狀態(tài)。

        1991年,蘭道爾(Rolf Landauer)提出一個口號——信息是物理的——倡導從物理的角度研究計算和信息。1990年,惠勒(John Wheeler)提出一個口號——物質來自比特?;堇蘸吞m道爾的思想影響了最早研究量子信息的一批人,可以稱他們?yōu)榱孔有畔W的祖父。

        順便提一下,1972年,安德森(Phil Anderson)曾提出:“多了就是不一樣”。是說,多體系統(tǒng)會展現(xiàn)出少體系統(tǒng)沒有的新性質。從信息和量子信息的角度考慮物理定律的層展,也是一個有意思的方向。

        麥克斯韋妖

        最早進入物理學的信息問題,可能是麥克斯韋妖佯謬。1867年,麥克斯韋在一封信里提出這個佯謬。他在1871年出版的《熱的理論》(Theory of Heat)一書中,做了詳細論述??紤]封閉容器內處于恒溫的氣體,他寫道:“假設這樣的一個容器分成兩半,A和B,隔板上有一個小洞,有一個有意識的存在(being)能夠看到單獨的分子,能夠關閉或打開這個洞,從而讓較快的分子從A運動到B,讓較慢的分子從B運動到A。因此他不需要做功,就能提高B的溫度,降低A的溫度。這與熱力學第二定律矛盾。1879,湯姆遜(William Thomson,也就是開爾文勛爵)將麥克斯韋假想的being稱為麥克斯韋妖。

        麥克斯韋(James Clerk Maxwell,1831—1879)

        1929年,作為博士論文,西拉德(Leo Szilard)研究了麥克斯韋妖問題。他用比特表示分子的位置狀態(tài),涉及了信息。(這里比特指容器的左右,他沒有用比特和信息這些名詞。)西拉德提出麥克斯韋妖測量分子狀態(tài)時,消耗能量,熵增加了kBln2,抵消了氣體分子的熵減少。這里kB代表玻爾茲曼常數(shù)。

        西拉德還提出一種利用信息的熱機,也就是說,可以從信息提取功。我們用查爾斯·本內特(Charles Bennett)在1987年提出的版本來討論??紤]一個恒定溫度的熱庫接觸的小車,以及一串小隔間組成的傳送帶,每個小隔間里面有一個分子。假設事先知道每個分子的位置狀態(tài)(信息),也就是在小隔間的左半部或者右半部。相應地,就可以設計機械,利用活塞向右半部或者左半部移動,分子所在的空間增加到整個小隔間。從而分子總是對外做功,驅動小車運動。也就是說,信息轉化為功。如果事先不知道分子的位置,平均做功為零。

        信息論

        1948年,香農(nóng)(Claude Shannon)借助熵的概念,提出了信息論??紤]一個字母表,由a1,a2, ..., an組成,每個字母出現(xiàn)的概率分別是p1,p2,...,pn,p1+p2+...+ pn=1。香農(nóng)定義了信息熵:H=-p1log2(p1) -p2log2(p2) ...-pnlog2(pn)。這里log2代表以2為底的對數(shù)。香農(nóng)證明了這n個字母組成的訊息可以壓縮到nH比特。也就是說,信息熵代表平均每個字母的信息量,定量刻畫了信息存儲與傳輸所需的資源。

        我們可以看出,如果p1=1, 其他的pi=0,也就是說只有a1這一個字母出現(xiàn),那么H=0, 也就是說沒有信息量;如果每個pi都等于1/n, 那么H=log2n,這是最大值。

        蘭道爾原理

        從20世紀30年代開始,計算機的基礎理論和技術有很多發(fā)展。1961年,蘭道爾在IBM工作時提出了蘭道爾原理:每刪除一個比特的信息,環(huán)境的熵至少增加kBln2,也就是說,至少需要耗散能量kBTln2。我們知道,熵乘以溫度T就是熱量,也就是耗散到環(huán)境的能量。

        1973年,本內特提出可逆計算的概念,指出原則上不需要能耗。雖然很多邏輯運算是不可逆的,比如2+3和1+4都等于5,因此從輸出結果5,不能唯一確定輸入。但是不可逆運算可以嵌套在可逆運算中,也就是將輸入信息也當作輸出結果的一部分。1982年,他提出可逆圖靈機模型。圖靈機是最簡單的計算模型。

        在這些工作的基礎上,1987年,本內特給出了麥克斯韋妖佯謬的解決方案——對分子狀態(tài)的測量本身可以不消耗能量,測量結果存儲在妖的記憶中,氣體的熵減少由妖的記憶的熵增加補償。但是妖的記憶有限,為了存儲新的測量結果,需要刪除舊的記憶,因此必須將熵轉移到環(huán)境,也就是說,必須耗散能量到環(huán)境中去。因此耗散的能量不是來自測量信息,而是來自刪除信息。當然,如果將氣體、妖、環(huán)境一起考慮,總熵總是不減少的。

        信息與能量

        作為對前述若干概念的消化,我們看一下信息與能量的關系。如果事先知道某訊息(一串比特,比如各分子的位置)的內容,刪除這個訊息不需要消耗能量。

        例如,考慮一個盒子中有一個分子,如果知道它在盒子的哪半邊,可設法用一個小盒子包住它,它對小盒子的每個壁都有碰撞,平均做功為零,因此我們在不做功的情況下將它轉移到事先選好的盒子的一半(事先選定左邊或者右邊),也就是刪除訊息。因此,知道信息后,可以不費能量將其刪除。而且,前面說過,還可以利用它,讓分子對外做功。

        但是,如果不知道分子位置時,我們只能統(tǒng)一地將盒子體積壓到一半(事先選定左邊或者右邊)。這需要付出能量。

        計算機極簡史

        19世紀的查爾斯·巴貝奇(Charles Babbage)設計了兩個機械計算機,雖然都沒能實際完成。19世紀20年代,巴貝奇設計了計算多項式函數(shù)的差分機。1837年,他又設計了可編程的機械計算機Analytic Engine,包含了計算機的主要元素。1941年,有人實現(xiàn)了他的設計。

        巴貝奇制作的Analytic Engine的模型

        詩人拜倫的女兒阿達·洛芙萊斯(Ada Lovelace)為Analytic Engine寫了程序,成為歷史上第一位程序員。巴貝奇和洛芙萊斯的照片曾經(jīng)放在一起,作為英國50英鎊新鈔票上的候選人物。但最終,另一位候選人阿蘭·圖靈(Alan Turing)勝出。

        圖靈被選為50英鎊新鈔票上的人物

        1937年,圖靈提出了圖靈機、普適圖靈機和圖靈假說,嚴格定義了計算和程序的概念。圖靈假說是說,存在普適圖靈機,可以模擬任何圖靈機。這就是說,存在普適計算機,用程序就可以實現(xiàn)任何計算。

        1939年,物理學家約翰·阿塔納索夫(John Vincent Atanasoff)與他的學生克利福德·貝里(Clifford Berry)建造了第一臺電子計算機。這是一臺特定目的的計算機,不能編程。它用二進制和布爾代數(shù),能計算29個聯(lián)立方程。硬件上,它由電子真空管實現(xiàn)計算,用電容器作內存,沒有中央處理器(CPU)。

        物理學家約翰·莫克利(John Mauchly )和艾克特(J. P. Eckert)設計了世界上第一臺電子通用計算機,即ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer,電子數(shù)值積分計算機),1946年建成。ENIAC的第一個用途是馮·諾依曼和烏拉姆的氫彈計算。莫克利多次訪問過阿塔納索夫,但是1944年之前,沒有告知后者自己也在造計算機。這使得莫克利后來沒有獲得專利。

        電子計算機飛速發(fā)展。20世紀50年代,每秒做1 000次浮點運算。而現(xiàn)在的速度是148.6P FLOPS(P = 1012)。1965年,戈登·摩爾(Gordon Moore)總結出所謂的“摩爾定律”:單個集成電路芯片上的晶體管數(shù)目大約每兩年翻一番。從下圖可以看出,摩爾定律延續(xù)多年。

        晶體管越來越小,越來越快。如此下去,單個比特只需要原子尺寸。但是在原子尺寸,量子效應將起支配作用,適用于經(jīng)典計算機的摩爾定律也就不能延續(xù)。

        所以,一個思路就是,變不利為有利,干脆用量子力學作為新的計算(邏輯)原理。利用量子力學的原理,特別是量子態(tài)疊加原理,完成計算任務,處理和傳遞信息,這就是所謂的量子計算與量子信息。

        量子力學基本問題的研究

        量子計算與量子信息又與量子力學基本問題密切關聯(lián)。量子糾纏是超越任何經(jīng)典關聯(lián)的量子特性,研究始于愛因斯坦等人,經(jīng)過戴維·玻姆(David Bohm)等人,后來由約翰·貝爾(John Bell)取得突破。

        單量子系統(tǒng)在這些研究中體現(xiàn)出重要性。以前,正如薛定諤所說,我們從來不用單個電子或原子或小分子做實驗。在思想實驗中,我們有時候假設能夠做,這不可避免導致奇怪的后果……

        事實上,當年的思想實驗今天已經(jīng)成為真實的實驗,對于奇怪后果的探究導致量子物理基礎和量子信息的進展。

        量子計算與量子信息的興起

        1978年,保羅·貝尼奧夫(Paul Benioff)提出一個量子力學模型,實現(xiàn)經(jīng)典圖靈機的每一步過程。1982年,費曼提出,用經(jīng)典計算機模擬量子過程需要指數(shù)級資源,而量子計算機則可以有效地模擬量子過程。蘇聯(lián)的馬寧(I.Manin)也有類似的想法。1983年,阿爾伯特提出量子元胞自動機。

        1985年,英國物理學家戴維·多伊奇(David Deutsch)提出量子圖靈機和普適量子圖靈機的概念。1989年,他又提出由量子門組成的量子計算的線路模型。

        作為一個有實用意義的突破,1994年,美國計算機科學家彼得·肖(Peter Shor)提出有效解決素數(shù)因子分解(尋找奇數(shù)的素數(shù)因子)的量子算法。在經(jīng)典計算中,這個問題是一個NP問題,也就是說,需要的時間不是數(shù)字的二進制位數(shù)n的多項式函數(shù)。事實上,需要的時間是exp(O(n3(log(n)2/3))。而肖的量子算法需要的時間只是O(n2log(n) loglog(n))。f=O(g)的意思是,|f/g|介于兩個有限正數(shù)之間。 量子計算的算法基于糾纏態(tài)的運用。量子糾纏也導致量子通信,比如量子隱形傳態(tài)。而量子密碼的某些方案基于海森堡不確定關系,某些方案基于量子糾纏。

        2017年,意大利的國際理論物理中心將狄拉克獎授予本內特、多伊奇和肖,以表彰他們用量子力學的基本概念解決計算和信息的基本問題,從而將量子力學、計算機科學和信息聯(lián)系在一起。

        小結

        信息是物理的。因此經(jīng)典計算和經(jīng)典信息基于經(jīng)典物理,而量子物理導致量子計算和量子信息。突破摩爾定律的需要,經(jīng)典信息和經(jīng)典計算的量子推廣,量子力學基本問題的探究,形成合力,催生了量子信息和量子計算。

        猜你喜歡
        麥克斯韋量子分子
        麥克斯韋: 掌控電磁之力的大魔法師
        2022年諾貝爾物理學獎 從量子糾纏到量子通信
        分子的擴散
        Maxwell Loses a Tooth 麥克斯韋掉牙了
        雙麥克斯韋分布下極區(qū)中層塵埃粒子帶電研究
        決定未來的量子計算
        新量子通信線路保障網(wǎng)絡安全
        抓住麥克斯韋妖的尾巴——重新定義能源
        能源(2018年10期)2018-12-08 08:02:48
        “精日”分子到底是什么?
        新民周刊(2018年8期)2018-03-02 15:45:54
        米和米中的危險分子
        飲食科學(2017年12期)2018-01-02 09:23:20
        永久免费看啪啪网址入口| 国产精品一级黄色大片| 人妖精品视频在线观看| 亚洲高清中文字幕精品不卡 | 久久亚洲欧洲无码中文| 国产亚洲精品综合99久久 | 亚洲视频99| 最新国产成人综合在线观看 | 国产成人久久精品二区三区牛| 亚洲免费一区二区三区视频| 蜜桃一区二区三区在线视频 | 国产精品27页| 亚洲女同高清精品一区二区99| 国产免费牲交视频| 18禁黄网站禁片免费观看| 亚洲精品6久久久久中文字幕| 91久久精品一二三区蜜桃| 日本a级黄片免费观看| 亚洲加勒比久久88色综合| 中文幕无线码中文字蜜桃| 蜜桃av夺取一区二区三区| 一区二区三区免费看日本| 欧美人与动性xxxxx杂性| 精品国产av 无码一区二区三区| 大屁股少妇一区二区无码| 日韩精品中文字幕第二页| 又爽又黄又无遮挡网站| 成人区人妻精品一区二区不卡网站 | 激烈的性高湖波多野结衣 | 精品卡一卡二卡3卡高清乱码| 无码少妇精品一区二区免费动态| 9999精品视频| 美女被射视频在线观看91| 久久精品国产亚洲av成人文字| 人妻熟女一区二区三区app下载| 久久久久成人亚洲综合精品| 国产91精品清纯白嫩| 欧美亚洲精品suv| 精品淑女少妇av久久免费| 久久国产精品视频影院| 在线观看亚洲视频一区二区|