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主题:量子计算机论文写作 时间:2024-01-04

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2016年11月18日,中科院软件所研究员杨超与清华大学副教授薛巍、付昊桓等人联合北京师范大学组成的研究团队凭借在“神威·太湖之光”上运行的“千万核可扩展全球大气非静力云分辨模拟”应用,一举摘下国际高性能计算应用领域最高奖—戈登贝尔奖.同时,中科院计算机网络信息中心基于“神威·太湖之光”的“钛合金微结构演化相场模拟”也成功入围,获得提名.

高性能计算能力是国家重要科技实力的体现,中科院、科技部率先部署和支持了高性能计算相关规划与建设.到2016年,中国科学院高性能计算环境已为我国科研服务20年,支撑了多个国家重大规划、千余项国家各类科研项目.

虽然中国高性能计算已经取得了里程碑性的成绩,但是科研工作者的脚步不会停止.他们已经在思考未来的发展方向在哪里,并将目光瞄向了“天然的超级计算机”—量子计算机.

“杞人忧天”的物理学家们与量子计算机的诞生

量子计算机的诞生和著名的摩尔定律有关,还和“杞人忧天”的物理学家们有关.

众所周知,摩尔定律的技术基础是不断提高电子芯片的集成度(单位芯片的晶体管数).集成度不断提高,速度就不断加快,我们的手机、电脑就能不断更新换代.

20世纪80年代,摩尔定律很贴切地反映了信息技术行业的发展,但“杞人忧天”的物理学家们却提出了一个“大煞风景”的问题: 摩尔定律有没有终结的时候?

之所以提出这个问题,是因为摩尔定律的技术基础天然地受到两个主要物理限制.

一是巨大的能耗,芯片有被烧坏的危险.芯片发热主要是因为计算机门操作时,其中不可逆门操作会丢失比特.物理学家计算出每丢失一个比特所产生的热量,操作速度越快,单位时间内产生的热量就越多,計算机温度必然迅速上升,这时必须消耗大量能量来散热,否则芯片将被烧坏.

二是为了提高集成度,晶体管越做越小,当小到只有一个电子时,量子效应就会出现.此时电子将不再受欧姆定律管辖,由于它有隧道效应,本来无法穿过的壁垒也穿过去了,所以量子效应会阻碍信息技术继续按照摩尔定律发展.

所谓隧道效应,即由微观粒子波动性所确定的量子效应,又称势垒贯穿.它在本质上是量子跃迁,粒子迅速穿越势垒.在势垒一边平动的粒子,当动能小于势垒高度时,按照经典力学的说法,粒子是不可能越过势垒的;而对于微观粒子,量子力学却证明它仍有一定的概率贯穿势垒,实际上也的确如此.

这两个限制就是物理学家们预言摩尔定律会终结的理由所在.

虽然这个预言在当时没有任何影响力,但“杞人忧天”的物理学家们并不“死心”,继续研究,提出了第二个问题:如果摩尔定律终结,在后摩尔时代,提高运算速度的途径是什么?

这就导致了量子计算概念的诞生.

量子计算所遵从的薛定谔方程是可逆的,不会出现非可逆操作,所以耗能很小;而量子效应正是提高量子计算并行运算能力的物理基础.

甲之砒霜,乙之蜜糖.它们对于电子计算机来说是障碍的量子效应,对于量子计算机来说,反而成了资源.

量子计算的概念最早是1982年由美国物理学家费曼提出的.1985年,英国物理学家又提出了“量子图灵机”的概念,之后许多物理学家将“量子图灵机”等效为量子的电子线路模型,并开始付诸实践.但当年这些概念的提出都没有动摇摩尔定律在信息技术领域的地位,因为在相当长的时间内,摩尔定律依然在支撑着电子计算机的运算速度的飞速提高.

直到今年,美国政府宣布,摩尔定律终结了.微电子未来的发展是低能耗、专用这两个方向,而不再是追求速度.

由此可见,基础研究可能在当时看不到有什么实际价值,但未来却会发挥出巨大作用.

量子计算机虽然好,研制起来却非常难

量子计算机和电子计算机一样,其功用在于计算具体数学问题.不同的是,电子计算机所用的电子存储器在某个时间只能存一个数据,它是确定的,操作一次就把一个比特(bit,存储器最小单元)变成另一个比特,实行串行运算模式;而量子计算机利用量子性质,一个量子比特可以同时存储两个数值,N个量子比特可以同时存储2的N次方数据,操作一次会将这个2的N次方数据变成另外一个2的N次方数据,以此类推,运行模式为一个CPU的并行运算模式,运行操作能力指数上升,这是量子计算机来自量子性的优点.量子计算本来就是并行运算,所以说量子计算机天然就是“超级计算机”.

要想研制量子计算机,除了要研制芯片、控制系统、测量装置等硬件外,还需要研制与之相关的软件,包括编程、算法、量子计算机的体系结构等.

一台量子计算机运行时,数据输入后,被编制成量子体系的初始状态,按照量子计算机欲计算的函数,运用相应的量子算法和编程,编制成用于操作量子芯片中量子比特幺正操作变换,将量子计算机的初态变成末态,最后对末态实施量子测量,读出运算的结果.

一台有N个量子比特的量子计算机,要保证能够实施一个量子比特的任意操作和任意两个量子比特的受控非操作,才能进行由这两个普适门操作的组合所构成的幺正操作,完成量子计算机的运算任务.这是量子芯片的基本要求.如果要超越现有电子计算水平,需要多于1000个量子比特构成的芯片.目前,这还无法实现.这种基于“量子图灵机”的标准量子计算是量子计算机研制的主流.

除此以外,还有其他量子计算模型,如单向量子计算、分布式量子计算,但其研制的困难程度并没有减小.另外,还有拓扑量子计算、绝热量子计算等.

由于对硬件和软件的全新要求,量子计算机的所有方面都需要重新进行研究,这就意味着量子计算是非常重要的交叉学科,是需要不同领域的人共同来做才能做成的复杂工程.

把量子计算机从“垃圾桶”捡回来的量子编码与容错编码

实现量子计算最困难的地方在于,这种宏观量子系统是非常脆弱的,周围的环境都会破坏量子相干性(消相干),一旦量子特性被破坏,将导致量子计算机并行运算能力基础消失,变成经典的串行运算.

结论:关于量子计算机方面的的相关大学硕士和相关本科毕业论文以及相关量子计算机应用论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料下载。

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