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doi:10.11772/j.issn.10019081.2013.07.1816
摘 要:
針對(duì)傳統(tǒng)Epidemic的性能缺陷,提出了基于控制機(jī)制的自適應(yīng)Epidemic 路由(AdEPI)算法。AdEPI算法采用受控洪泛機(jī)制和信息副本控制等機(jī)制,并引入信息生存時(shí)間和自適應(yīng)控制策略,在確保有較高到達(dá)率的條件下,取得了峰值傳輸控制、帶寬資源占用、緩存利用和時(shí)延等方面的綜合平衡。在VanetMobiSim仿真平臺(tái)上,對(duì)AdEPI算法進(jìn)行了VC++6.0編程實(shí)現(xiàn)和仿真,并與經(jīng)典Epidemic算法進(jìn)行了性能對(duì)比。仿真結(jié)果證實(shí),AdEPI算法與Epidemic比較,付出較小的時(shí)延代價(jià),卻具有了帶寬占用減少27.62%,峰值平均降低15.19%,緩存利用率提高92.14%等優(yōu)勢(shì)。AdEPI算法在上述三個(gè)方面的性能提升,具有工程意義和應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞:稀疏車輛Ad Hoc網(wǎng)絡(luò);自適應(yīng)Epidemic路由;受控機(jī)制;延遲容忍網(wǎng)絡(luò)
中圖分類號(hào):TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
英文標(biāo)題
Adaptive epidemic routing algorithm based on controlled mechanism for sparse vehicle Ad Hoc networks
英文作者名
SU Chunbo1,2,XU Jiapin1*
英文地址(
1. College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China;
2. School of Information Science and Technology, Chengdu University of Technology, Chengdu Sichuan 610059, China英文摘要)
Abstract:
該機(jī)器的名字也叫“D-波”,D-波公司宣稱這是一臺(tái)量子計(jì)算機(jī),不管它是否真的利用量子效應(yīng)來(lái)運(yùn)行,都是業(yè)內(nèi)專家們爭(zhēng)論的主題。
只是模擬設(shè)備
在“D-波”中是用一個(gè)個(gè)超導(dǎo)線路來(lái)模擬量子或原子自旋,系統(tǒng)必須冷卻到接近絕對(duì)零度。自旋有“上”自旋、“下”自旋和“上下疊加”自旋。在“D-波”線路中,用電流方向來(lái)模擬自旋。
“D-波”是否真的在用量子效應(yīng)運(yùn)行?蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)理論物理學(xué)院教授馬提亞?特羅亞和南加州大學(xué)洛杉磯分校的同事一起,對(duì)那里的量子系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)過(guò)測(cè)試,研究小組得出的結(jié)論是不能一概而論:一方面,他們證明了“D-波”確實(shí)是利用量子效應(yīng)運(yùn)行的;而另一方面,研究人員也說(shuō):“‘D-波’只是一個(gè)模擬設(shè)備,一臺(tái)用于解決最優(yōu)化問(wèn)題的樣機(jī)。對(duì)它更準(zhǔn)確的描述是,一臺(tái)可編程的量子模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)?!碧亓_亞說(shuō):“毫無(wú)疑問(wèn)‘D-波’不是一臺(tái)通用量子計(jì)算機(jī)。”
量子效應(yīng)持續(xù)極短
為了對(duì)“D-波”進(jìn)行測(cè)試,研究人員寫了數(shù)千個(gè)復(fù)雜性不等的問(wèn)題,把每個(gè)問(wèn)題在3個(gè)系統(tǒng)上各運(yùn)行了一千次。一個(gè)系統(tǒng)是“D-波”,另兩個(gè)是在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的最優(yōu)化問(wèn)題模擬程序:一個(gè)考慮量子效應(yīng),另一個(gè)不考慮。對(duì)于每個(gè)任務(wù),研究人員記錄下各系統(tǒng)給出正確答案的頻率。結(jié)果“D-波”的表現(xiàn)和考慮了量子效應(yīng)的模擬程序相同,而有別于沒考慮量子效應(yīng)的模擬程序。
面對(duì)這樣的結(jié)果,研究人員也感到吃驚,因?yàn)椤癉-波”的量子相干持續(xù)時(shí)間極為短暫,只有幾十億分之一秒,而通常要解決一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題需要的時(shí)間是這一時(shí)間的500倍。大部分專家認(rèn)為,“D-波”的量子效應(yīng)簡(jiǎn)直不能發(fā)揮任何作用。不過(guò)特羅亞解釋說(shuō),“讓量子效應(yīng)在所有時(shí)間都保持相干也是沒有必要的”。
速度不比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快
人們?cè)诳紤]建造量子計(jì)算機(jī)時(shí),一個(gè)主要原因就是它將來(lái)可能大大提高計(jì)算速度,因此研究的另一個(gè)結(jié)論尤為重要:“D-波”的速度并不比一臺(tái)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快。
美國(guó):列入國(guó)家戰(zhàn)略實(shí)現(xiàn)系列突破
在美國(guó),對(duì)量子通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究開始得較早,并最先被列入到國(guó)家戰(zhàn)略、國(guó)防和安全的研發(fā)計(jì)劃。
上世紀(jì)末,美國(guó)政府便將量子信息列為“保持國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力”計(jì)劃的重點(diǎn)支持課題。而隸屬于政府的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)則將量子信息作為三個(gè)重點(diǎn)研究方向之一。隨后,美國(guó)加州理工大學(xué)、麻省理工學(xué)院和南加州大學(xué)聯(lián)合成立了量子信息與計(jì)算研究所,直接歸美國(guó)軍隊(duì)研究部門管轄,從屬于美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局超大規(guī)模計(jì)算工程系統(tǒng)。體制上的規(guī)劃與布局,為各機(jī)構(gòu)與部門間的研發(fā)鋪平了道路。
早在1989年,美國(guó)IBM公司在實(shí)驗(yàn)室中以10bit/s的傳輸速率成功實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)量子信息傳輸,雖然傳輸距離只有32公分,但卻拉開了量子通信實(shí)驗(yàn)研究的序幕。1994年,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局便開始著手,用3到5年的時(shí)間全面推進(jìn)量子通信技術(shù)方面的研究,而且已經(jīng)通過(guò)軍隊(duì)實(shí)施了相應(yīng)方式的向戰(zhàn)場(chǎng)和向全球傳輸報(bào)文能力的量子通信計(jì)劃。
在大量科研資源與研發(fā)力量投入的情況下,美國(guó)在量子通信研究方面取得了一系列的突破。2000年,Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布,他們于全日照條件下實(shí)現(xiàn)了1.6公里自由空間的量子密鑰分發(fā),使量子通信向?qū)嵱霉こ袒~進(jìn)了一大步。不僅如此,在美國(guó)國(guó)防部2013年至2017年科技發(fā)展“五年計(jì)劃”中,“量子信息與控制技術(shù)”已被列為未來(lái)重點(diǎn)關(guān)注的六大顛覆性研究領(lǐng)域,同時(shí)將IBM、美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、美國(guó)洛克希德馬丁公司和日本NTT公司列為該領(lǐng)域的重要研究機(jī)構(gòu);美國(guó)國(guó)防部支持的“高級(jí)研究與發(fā)展活動(dòng)”(ARDA)計(jì)劃到2014年將量子通信應(yīng)用拓展到衛(wèi)星通信、城域以及長(zhǎng)距離光纖網(wǎng)絡(luò)。
如今,量子技術(shù)已經(jīng)成為美國(guó)軍方六大技術(shù)方向之一,即對(duì)未來(lái)美軍的戰(zhàn)略需求和軍事任務(wù)行動(dòng)能產(chǎn)生長(zhǎng)期、廣泛、深遠(yuǎn)、重大的影響。量子通信產(chǎn)業(yè)已滲透到美國(guó)國(guó)家發(fā)展的各個(gè)層面,包括國(guó)防、外交、經(jīng)濟(jì)、信息、社會(huì)等不同領(lǐng)域的內(nèi)容。
當(dāng)前,以美國(guó)為代表的世界主要軍事強(qiáng)國(guó)關(guān)注的量子科技發(fā)展動(dòng)向主要涉及量子通信、量子計(jì)算及量子密鑰等領(lǐng)域。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了多項(xiàng)量子通信方面的相關(guān)研究計(jì)劃,對(duì)其開展了廣泛探索。可以說(shuō),量子通信技術(shù)在軍事應(yīng)用方面有著無(wú)與倫比的廣闊前景。
在量子通信領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展規(guī)劃下,美國(guó)Los Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室正在創(chuàng)建一套輻射狀的量子互聯(lián)網(wǎng),同時(shí)美國(guó)非常重視量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)拓展,谷歌、微軟、IBM都已投入研究量子計(jì)算機(jī)技術(shù),以量子計(jì)算機(jī)技術(shù)研究為突破點(diǎn),延伸到物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)領(lǐng)域,形成規(guī)模優(yōu)勢(shì)。
歐盟:聯(lián)合攻關(guān)共建量子互聯(lián)網(wǎng)
提前“操練”,打牢根基,政策法規(guī)護(hù)航,并貫穿到與國(guó)家利益、國(guó)家安全以及國(guó)家對(duì)內(nèi)對(duì)外戰(zhàn)略影響相關(guān)的不同環(huán)節(jié),這是歐盟在量子通信領(lǐng)域發(fā)展方面采取的主要手段。
早在20世紀(jì)90年代,歐洲就意識(shí)到量子信息處理和通信技術(shù)的巨大潛力,充分認(rèn)定其高風(fēng)險(xiǎn)性和長(zhǎng)期應(yīng)用前景,從歐盟第五研發(fā)框架計(jì)劃(FP5)開始,就持續(xù)對(duì)泛歐洲乃至全球的量子通信研究給予重點(diǎn)支持。
緊接著,歐盟了《歐洲研究與發(fā)展框架規(guī)劃》,專門提出了用于發(fā)展量子信息技術(shù)的《歐洲量子科學(xué)技術(shù)》計(jì)劃以及《歐洲量子信息處理與通信》計(jì)劃。與此同時(shí),還專門成立了包括英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利、奧地利和西班牙等國(guó)在內(nèi)的量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)。
2008年,歐盟《量子信息處理與通信戰(zhàn)略報(bào)告》,提出歐洲在未來(lái)五年和十年的量子通信發(fā)展目標(biāo)。同年9月,歐盟了關(guān)于量子密碼的商業(yè)白皮書,啟動(dòng)量子通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究,并聯(lián)合了來(lái)自12個(gè)歐盟國(guó)家的41個(gè)伙伴小組成立了“基于量子密碼的安全通信”(SECOQC)工程。這是繼歐洲核子中心和國(guó)際空間站后又一大規(guī)模的國(guó)際科技合作。自1993年開始,歐盟就加強(qiáng)了對(duì)量子通信技術(shù)領(lǐng)域的研究和開發(fā),在理論研究和實(shí)驗(yàn)技術(shù)上均取得了重大突破,涉及的領(lǐng)域包括量子密碼通信、量子遠(yuǎn)程傳態(tài)和量子密集編碼等。利用歐盟國(guó)家的聯(lián)合技術(shù)力量,在多個(gè)研究機(jī)構(gòu)之間形成有效的合作體制,是歐洲量子通信領(lǐng)域一直走在前列的“制勝法寶”。
在量子信息物理學(xué)研究網(wǎng)的框架下,1993年至2011年期間,英國(guó)、瑞士、奧地利、德國(guó)、法國(guó)、瑞典等國(guó)的科學(xué)家曾連續(xù)創(chuàng)造了量子密鑰分發(fā)、量子密碼通信、太空絕密傳輸量子信息及量子信息存儲(chǔ)等一系列的根本性突破,為下一步量子互聯(lián)網(wǎng)的全面建設(shè)鋪平道路。
從2007年至2014年,歐盟開始致力于量子密碼通信和量子密集編碼研究,實(shí)現(xiàn)了量子漫步、太空和地球之間的信息傳輸,為衛(wèi)星之間以及衛(wèi)星與地面站之間進(jìn)行量子通信提供了可能性。
發(fā)展量子通信技術(shù)的終極目標(biāo)就是為了構(gòu)建廣域乃至全球范圍的絕對(duì)安全的量子通信網(wǎng)絡(luò)體系。2008年以來(lái),歐盟加緊推進(jìn)星載量子通信計(jì)劃。一場(chǎng)世界范圍的技術(shù)與才智競(jìng)賽已悄然拉開帷幕。歐洲不應(yīng)落后,更不能讓人才和知識(shí)流失。于是,就在今年4月19日,歐盟委員會(huì)正式宣布,計(jì)劃啟動(dòng)總額10億歐元的量子技術(shù)旗艦項(xiàng)目,目標(biāo)是建立極具競(jìng)爭(zhēng)性的歐洲量子產(chǎn)業(yè),包括量子通信、量子計(jì)算及量子測(cè)量等,以增強(qiáng)歐洲在量子研究方面的科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)力和卓越性。
日本:緊跟大勢(shì)有所作為
日本政府和科技界一貫重視量子科技領(lǐng)域的研發(fā)攻關(guān),并將量子技術(shù)視為本國(guó)占據(jù)一定優(yōu)勢(shì)的高新科技領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)發(fā)展、重點(diǎn)引導(dǎo)。
美國(guó)和歐盟在量子通信領(lǐng)域的一連串突飛猛進(jìn),使日本備感形勢(shì)緊迫。
早在2000年,日本郵政省就將量子通信技術(shù)作為一項(xiàng)國(guó)家級(jí)高技術(shù)列入開發(fā)計(jì)劃,預(yù)備10年內(nèi)投資400多億日元,主要致力于研究光量子密碼及光量子信息傳輸技術(shù),并專門制訂了跨度為10年的中長(zhǎng)期定向研究目標(biāo),計(jì)劃到2020年使保密通信網(wǎng)絡(luò)和量子通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)達(dá)到實(shí)用化水平,最終建成全國(guó)性高速量子通信網(wǎng),實(shí)現(xiàn)通信技術(shù)應(yīng)用上的飛躍,在競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)先機(jī)。
在當(dāng)年題為《創(chuàng)造面向21世紀(jì)劃時(shí)代的量子信息通信技術(shù)》的報(bào)告中曾明確指出,國(guó)家應(yīng)該充實(shí)及完善該領(lǐng)域的研究開發(fā)體制, 并促進(jìn)民間企業(yè)和大學(xué)等進(jìn)行研究開發(fā)。在接到該報(bào)告書后,郵政省正式啟動(dòng)了研究和開發(fā)量子信息通信的活動(dòng)。該技術(shù)的實(shí)用化預(yù)計(jì)會(huì)發(fā)生在2030年至2100年期間。
盡管日本對(duì)量子通信技術(shù)的研究晚于美國(guó)和歐盟,但相關(guān)研究發(fā)展迅速。在國(guó)家科技政策和戰(zhàn)略計(jì)劃的支持和引導(dǎo)下,日本科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)積極性高漲,投入了大量研發(fā)資本積極參與和承擔(dān)量子通信技術(shù)的研究工作,實(shí)際地介入到量子通信技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)當(dāng)中。
數(shù)年前,日本提出了以新一代量子通信技術(shù)為對(duì)象的長(zhǎng)期研究戰(zhàn)略,并計(jì)劃在2020~2030年間建成絕對(duì)安全保密的高速量子通信網(wǎng)。目前,日本每年投入2億美元,規(guī)劃在5至10年內(nèi)建成全國(guó)性的高速量子通信網(wǎng)。不僅如此,日本的國(guó)家情報(bào)通信研究機(jī)構(gòu)(NICT)也啟動(dòng)了一個(gè)長(zhǎng)期支持計(jì)劃。日本國(guó)立信息通信研究院也計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)量子中繼,到2040年建成極限容量、無(wú)條件安全的廣域光纖與自由空間量子通信網(wǎng)絡(luò)。
高強(qiáng)度的研發(fā)投入,“產(chǎn)官學(xué)”聯(lián)合攻關(guān)的方式極大推進(jìn)了研究開發(fā),推動(dòng)了量子通信的關(guān)鍵技術(shù)如超高速計(jì)算機(jī)、光量子傳輸技術(shù)和無(wú)法破譯的光量子密碼技術(shù)的攻關(guān)和實(shí)用化、工程化探索,在量子通信專利申請(qǐng)上成績(jī)顯著。比如NEC、東芝、日本國(guó)立信息通信研究院、東京大學(xué)、玉川大學(xué)、日立、松下、NTT、三菱、富士通、佳能、JST等,各大企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)在量子通信領(lǐng)域的專利申請(qǐng)量居全球領(lǐng)先,專利質(zhì)量較高,技術(shù)水平突出。
就目前而言,在量子通信領(lǐng)域的研究?jī)?yōu)勢(shì)上,日本主要集中在延長(zhǎng)量子通信傳輸距離、提高信息傳輸速度和改進(jìn)量子通訊的加密協(xié)議等方面。
量子計(jì)算機(jī)(Qantum computer),遵循量子力學(xué)的規(guī)律,進(jìn)行高速的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算,是存儲(chǔ)和處理量子信息的裝置。如果裝置處理和計(jì)算的是量子信息,運(yùn)行的是量子算法,那這個(gè)裝置就是我們下面要談的量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的概念源于對(duì)可逆計(jì)算機(jī)的研究,研究可逆計(jì)算機(jī)的目的就是為了解決計(jì)算機(jī)中的能耗問(wèn)題。
只聞其名,量子計(jì)算機(jī),大概就能猜到它是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的機(jī)器。要說(shuō)清楚量子計(jì)算,首先要先看經(jīng)典計(jì)算。經(jīng)典計(jì)算機(jī)從物理上可以被描述為對(duì)輸入信號(hào)序列按一定算法進(jìn)行變換的機(jī)器,其算法是由計(jì)算機(jī)的內(nèi)部邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1920年,奧地利人薛定諤、愛因斯坦、德國(guó)人海森伯格和狄拉克共同創(chuàng)建了一個(gè)前所未有的新學(xué)科——量子力學(xué)。量子力學(xué)的誕生為人類未來(lái)的第四次工業(yè)革命打下了基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)新技術(shù),那就是量子計(jì)算機(jī)。量子計(jì)算機(jī)的技術(shù)概念最早由理查得·費(fèi)曼提出的,后來(lái)經(jīng)過(guò)若干年的研究,這項(xiàng)技術(shù)已初見成效了。
2013年5月23日,Google與NASA(美國(guó)宇航局)合作建立了一個(gè)實(shí)驗(yàn)室,其目的就是研究量子計(jì)算機(jī)。Google與高??臻g研究協(xié)會(huì)(與NASA有密切合作的非盈利組織)購(gòu)買了量子計(jì)算機(jī),開始進(jìn)行量子計(jì)算的研究工作。
量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算的區(qū)別
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)利用幾百萬(wàn)個(gè)電子晶體管進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算,將0和1作為基本元素。量子計(jì)算則完全不同,它更有彈性,不再使用二進(jìn)位代碼,取而代之的是量子位元,又叫量子比特,它可以同時(shí)代表0和1。
傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行,但量子計(jì)算機(jī)要更為強(qiáng)大,它可以在量子比特上運(yùn)算,可以計(jì)算0和1之間的數(shù)值。假想一個(gè)放置在磁場(chǎng)中的原子,像陀螺一樣旋轉(zhuǎn),它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。按常識(shí)理解原子的旋轉(zhuǎn)可能向上,可能向下,但不可能既向上又向下。但在量子世界里,原子被描述為兩種狀態(tài)的總和,它一個(gè)向上轉(zhuǎn)的原子和一個(gè)向下轉(zhuǎn)的原子的總和,即每一種物體都可以被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來(lái)描述。
換一種表述,傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能使用“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)來(lái)控制電流,而量子計(jì)算機(jī)具有“開”和“關(guān)”同時(shí)存在的第三種狀態(tài),這是量子世界不同于粒子世界的特性。使用量子計(jì)算機(jī)能并行處理更多的信息,計(jì)算速度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。要進(jìn)行量子計(jì)算并不容易,但在某些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)容易失敗的領(lǐng)域,它卻可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。
量子計(jì)算機(jī)依賴的是量子機(jī)制來(lái)提高其計(jì)算速度,量子機(jī)制決定了所有物質(zhì)和能量的行為表現(xiàn),即使只利用量子機(jī)制的簡(jiǎn)單特性,構(gòu)造出的計(jì)算機(jī)表現(xiàn)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出任何一臺(tái)超級(jí)電子計(jì)算機(jī)。加拿大公司D-Wave表示,它的“Orion”只是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的補(bǔ)充和增強(qiáng),并不是要取代誰(shuí)。換句話說(shuō),量子計(jì)算機(jī)還沒有發(fā)展到可以“獨(dú)領(lǐng)”的地步。
用一個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)描述量子計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的差別:在一個(gè)虛擬界面上存在山岡和低谷,目標(biāo)是找到最低點(diǎn)。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是從一個(gè)點(diǎn)開始尋找,不斷搜索,有系統(tǒng)地搜索:是這里嗎?這里呢?查找的過(guò)程很慢,除非有無(wú)限的時(shí)間和無(wú)窮的耐心,否則就只能選擇“足夠好”。現(xiàn)在的答案固然不錯(cuò),但新的、更低的點(diǎn)也許在幾次計(jì)算后才出現(xiàn)。相比量子計(jì)算機(jī)的效率就要高得多了,因?yàn)樗梢酝瑫r(shí)用多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)估,從而大大改進(jìn)計(jì)算的效率。
量子計(jì)算機(jī)無(wú)法替代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)
IBM和微軟等許多公司都在研究量子計(jì)算技術(shù)。D-Wave是唯一銷售量子計(jì)算機(jī)硬件的廠商,公司表示,在少數(shù)復(fù)雜問(wèn)題上,量子計(jì)算機(jī)的速度要比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快5萬(wàn)倍。但需要注意的是,“高速”是有前提的,因此所謂的高速是受條件限制的。如果你只想發(fā)個(gè)郵箱、聽首音樂(lè),量子計(jì)算機(jī)不會(huì)讓你覺得有什么太大的區(qū)別,但要完成復(fù)雜任務(wù)就不同了。Google Research工程主管表示,希望量子計(jì)算機(jī)可以讓研究人員更有效率地工作,更準(zhǔn)確地為一切研究建模,包括語(yǔ)音識(shí)別、網(wǎng)絡(luò)搜索、蛋白質(zhì)折疊等。
因此,量子計(jì)算機(jī)不會(huì)很快淘汰傳統(tǒng)計(jì)算機(jī),它有自己的限制,而且它很難建造,價(jià)格很高。到目前,量子計(jì)算機(jī)大多是基于理論的,量子人工實(shí)驗(yàn)室設(shè)立的目的之一就是推動(dòng)理論的發(fā)展。它的目標(biāo)是將理論用于實(shí)踐,解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題,為真正的量子設(shè)備編寫代碼。
Google為什么對(duì)量子計(jì)算機(jī)感興趣
Google對(duì)新技術(shù)一直很癡迷,社交網(wǎng)、可穿戴設(shè)備、自駕汽車,現(xiàn)在又是量子計(jì)算機(jī)。這些項(xiàng)目的相似之處,就是它們都可以強(qiáng)化公司的數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施。
Google希望利用量子計(jì)算更好地理解人類的語(yǔ)音提問(wèn),這項(xiàng)技術(shù)不只可以用在搜索引擎上,還可以用在移動(dòng)應(yīng)用上,如Google Now和Google Maps。
Google稱:“我們已經(jīng)開發(fā)一些量子機(jī)器學(xué)習(xí)算法。當(dāng)中一些可以提高識(shí)別能力,比如在移動(dòng)設(shè)備電源不足時(shí)識(shí)別。一些可以處理高度污染的訓(xùn)練數(shù)據(jù),在現(xiàn)實(shí)世界中,許多時(shí)候數(shù)據(jù)被貼錯(cuò)標(biāo)簽。我們還可以從中學(xué)習(xí)到一些經(jīng)驗(yàn),比如,純粹使用量子計(jì)算不會(huì)得到最好的結(jié)果,將量子計(jì)算與傳統(tǒng)計(jì)算結(jié)合會(huì)更好?!?/p>
在谷歌的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室當(dāng)中,量子計(jì)算機(jī)會(huì)先進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí),這是電腦學(xué)習(xí)的信息模式,可以提高它們的輸出“吞吐量”。然后,量子計(jì)算機(jī)要負(fù)責(zé)進(jìn)行個(gè)性化的互聯(lián)網(wǎng)搜索和以GPS數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)交通的擁堵情況。另外,還要進(jìn)行面部或語(yǔ)音的識(shí)別、生物行為,或者是龐大且復(fù)雜的系統(tǒng)管理工作。
Google官方博客表示,如果世界需要建立有效的環(huán)境政策,就需要建立更好的模型來(lái)描述全球的天氣和氣候,否則就不會(huì)有令人信服的證據(jù)。
谷歌已經(jīng)為量子計(jì)算機(jī)修改了機(jī)器學(xué)習(xí)算法,這種算法原本由D-Wave系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)。D-Wave向洛克希德·馬丁公司出售了首臺(tái)商用量子計(jì)算機(jī),洛克希德公司官員表示,計(jì)算機(jī)會(huì)被用于測(cè)試和測(cè)量工作,如噴氣飛機(jī)的設(shè)計(jì)或衛(wèi)星系統(tǒng)的可靠性。
量子計(jì)算機(jī)的廣闊前景
近年來(lái),由于社會(huì)對(duì)高速、保密、大容量的通訊和計(jì)算的需求,促進(jìn)了量子信息、量子計(jì)算理論和實(shí)驗(yàn)的迅速發(fā)展。
2007年2月,加拿大D-Wave系統(tǒng)公司宣布研制成功16位量子比特的超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)。
2009年11月,世界首臺(tái)量子計(jì)算機(jī)正式在美國(guó)誕生,這一量子計(jì)算機(jī)由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院研制,可處理兩個(gè)量子比特的數(shù)據(jù)。較傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中的0和1比特,量子比特能存儲(chǔ)更多的信息,其性能大大超越傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
2010年3月,德國(guó)某研究中心發(fā)表公報(bào)稱其超級(jí)計(jì)算機(jī)成功仿真42位量子計(jì)算機(jī)。在此基礎(chǔ)上,研究人員首次可以仔細(xì)地研究高位數(shù)量子計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)特性。
IBM的科學(xué)家在量子計(jì)算方面取得重大突破,2012年1月完成系列量子計(jì)算試驗(yàn),在絕對(duì)零度條件下證實(shí)了通過(guò)量子技術(shù)一秒鐘可以進(jìn)行億萬(wàn)次運(yùn)算。傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)位非0即1,而一個(gè)量子可以擁有0、1以及同時(shí)0與1三種狀態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)突破允許科學(xué)家在初步計(jì)算中減少數(shù)據(jù)錯(cuò)誤率,同時(shí)在量子位中保持量子機(jī)械屬性的完整性。
量子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行大數(shù)的因式分解和Grover搜索破譯密碼,但是同時(shí)也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對(duì)進(jìn)行量子通訊的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),只有擁有EPR對(duì)的雙方才可能完成量子信息的傳遞,任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息。正所謂解鈴還需系鈴人,這樣實(shí)現(xiàn)的量子通訊才是真正不會(huì)被破解的保密通訊。此外量子計(jì)算機(jī)還可以用來(lái)做量子系統(tǒng)的模擬,一旦有了量子模擬計(jì)算機(jī),就無(wú)需求解薛定愕方程或者采用蒙特卡羅方法在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)上做數(shù)值計(jì)算,便可精確地研究量子體系特征。
關(guān)鍵詞:墨子號(hào);量子衛(wèi)星;量子糾纏;量子密鑰;物理學(xué)
中圖分類號(hào): TN219 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1673-1069(2016)30-100-2
0 引言
物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)最一般規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的一種自然科學(xué),研究對(duì)象大至宇宙,小到基本粒子的質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)形式和規(guī)律等內(nèi)容。量子衛(wèi)星可謂是物理學(xué)中極大的天體物理和極小的量子力學(xué)理論的綜合應(yīng)用,意義重大。下面我想從2016年8月16日我國(guó)發(fā)射的全球首科量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”來(lái)談?wù)剬?duì)物理學(xué)中量子物理發(fā)展的一些思考。
1 “墨子號(hào)”的由來(lái)
作為全球三大古老邏輯體系之一的墨家邏輯中的經(jīng)典著作《墨經(jīng)》中提出的“光學(xué)八條”中描述了墨子對(duì)光線的認(rèn)識(shí),并成功設(shè)計(jì)了樸素的小孔成像實(shí)驗(yàn),奠定了中國(guó)光學(xué)研究的基礎(chǔ),所以我國(guó)發(fā)射的全球首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星被命名為“墨子號(hào)”以紀(jì)念墨子先生。
2 為何發(fā)展量子通信技術(shù)和通訊優(yōu)勢(shì)
我們知道,20世紀(jì)初,量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)剛剛被奠定的時(shí)候,它帶給人們一種啟示,雖然它會(huì)時(shí)常使人感到困惑,因?yàn)榱孔恿W(xué)在微觀世界里已經(jīng)打敗了經(jīng)典力學(xué)古老的確定論,反復(fù)的討論可能性、可能結(jié)果的疊加。
我們假設(shè)一個(gè)物理量存在最小的不可分割的基本單位,則這個(gè)物理量是量子化的,并把最小單位稱為量子,所以我們常用量子去指一個(gè)不可分割的基本個(gè)體,例如“光的量子”是光的基本單位光子。當(dāng)然,所有可量子化的物理量其最小單位是特定的,而不是任意值。20世紀(jì)的前一半時(shí)期許多物理學(xué)家將量子力學(xué)視為了解和描述自然的基本理論,發(fā)展出了量子光學(xué)、量子計(jì)算等不同專業(yè)領(lǐng)域來(lái)研究。
量子計(jì)算領(lǐng)域利用量子效應(yīng)來(lái)控制和處理信息,它具有驚人的潛力,因?yàn)榻?jīng)典數(shù)據(jù)的二進(jìn)制“比特”一次只能取一個(gè)值,而量子的“量子比特”能夠在給定范圍內(nèi)代表任意及所有可能的取值:在被測(cè)量以前,它以所有的可能太的“疊加”形式存在。量子計(jì)算特別適合用于解決今天只能依靠“強(qiáng)力”處理器能力來(lái)解決的特殊問(wèn)題―比如,幾十個(gè)量子比特陣列就能夠存儲(chǔ)超過(guò)太字節(jié)(萬(wàn)億)的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)量。[3]
因此發(fā)展量子通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯,前景廣闊。
3 “墨子號(hào)”工作的理論基礎(chǔ)
1917年G.Vernam提出了“一次一密”(One-Time Pad)密碼體制[1][2],C.E.Shannon于1949年用信息論證明了該密碼體制是無(wú)條件安全的[1][2],這是目前唯一被證明是絕對(duì)安全的密碼體制。
由于量子信號(hào)的攜帶者光子在外層空間傳播時(shí)幾乎沒有損耗,如果能夠在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)糾纏光子再穿透整個(gè)大氣層后仍然存活并保持其糾纏特性,人們就可以在衛(wèi)星的幫助下實(shí)現(xiàn)全球化的量子通信。此次發(fā)射的量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星完全由我國(guó)自主研發(fā),突破了衛(wèi)星平臺(tái)、有效載荷、地面光學(xué)收發(fā)站等一系列關(guān)鍵技術(shù),將在軌開展量子密鑰分發(fā)、廣域量子密鑰網(wǎng)絡(luò)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形傳態(tài)、星地告訴相干激光通信等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
潘建偉研究小組在2003年開始研究自由空間量子通信,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)點(diǎn)制備出成對(duì)的糾纏光子,再利用兩個(gè)專門設(shè)計(jì)加工的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡將容易發(fā)散的細(xì)小光束“增肥”后向東西相距13公里的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)站送出,兩個(gè)接收端用同樣型號(hào)的望遠(yuǎn)鏡收集。
量子衛(wèi)星和地球通信是雙向的。衛(wèi)星和地面站都擁有發(fā)射端和接收端。發(fā)射端包含單光子光源和光束整形系統(tǒng),接收端包含單光子探測(cè)器和成像系統(tǒng)。光束整形系統(tǒng)和成像系統(tǒng)把點(diǎn)光源變成平行光并將其匯聚到焦點(diǎn)上。發(fā)射端和接收端是靠激光聯(lián)系,它們之間有個(gè)大氣層――它是目前較大的麻煩。
經(jīng)過(guò)研究人員的種種努力,在如此遠(yuǎn)距離的傳送中,雖有許多糾纏光子衰減,但仍有相當(dāng)比例的“夫妻對(duì)”能存活下來(lái)并有旺盛的生命力,經(jīng)單光子探測(cè)器檢測(cè),分居?xùn)|西兩地的光子“夫妻對(duì)”即使相距遙遠(yuǎn)仍能保持相互糾纏狀態(tài),攜帶信息的數(shù)量和質(zhì)量能完全滿足基于衛(wèi)星的全球化量子通信要求。
在此基礎(chǔ)上,研究小組進(jìn)一步利用分發(fā)的糾纏光源進(jìn)行絕對(duì)安全的量子保密通信。13公里不僅是目前國(guó)際上自由空間糾纏光子分發(fā)的最遠(yuǎn)距離,也是目前國(guó)際上沒有竊聽漏洞量子密鑰分發(fā)的最大距離。
4 我國(guó)量子通訊發(fā)展歷史和量子衛(wèi)星的前景展望
英國(guó)《自然》雜志中關(guān)于“量子太空競(jìng)賽”中指出:“在量子通信領(lǐng)域,中國(guó)用了不到十年的時(shí)間,由一個(gè)了不起的國(guó)家發(fā)展成現(xiàn)在的世界勁旅,中國(guó)將領(lǐng)先于歐洲和北美......”可見我國(guó)量子通訊發(fā)展速度飛快。1995年,中科院物理所吳令安小組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成了我國(guó)最早的量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn)演示。2000年,該小組又與中科院研究生院合作利用單模光纖完成了1.1公里的量子密鑰分發(fā)演示實(shí)驗(yàn)。2002年至2003年間,瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)Gisin小組和我國(guó)華東師范大學(xué)曾和平小組分別在67公里和50公里光纖中演示了量子密鑰分發(fā)。2006年,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在世界上首次利用誘騙態(tài)方案實(shí)現(xiàn)了安全距離超過(guò)100公里的光纖量子密鑰分發(fā)實(shí)驗(yàn),2009年,該團(tuán)隊(duì)又在世界上率先將采用誘騙態(tài)方案的量子通信距離突破至200公里。2013年,潘建偉團(tuán)隊(duì)又在核心量子通信器件研究上取得重要突破,他們成功開發(fā)了國(guó)際上迄今為止最先進(jìn)的室溫通信波段單光子探測(cè)器,并利用該單光子探測(cè)器在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了測(cè)量器件無(wú)關(guān)的量子通信,成功解決了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中單光子探測(cè)系統(tǒng)易被黑客攻擊的安全隱患,大大提高了現(xiàn)實(shí)條件下量子通信系統(tǒng)的安全性。2016年8月16日我國(guó)發(fā)射的全球首科量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”這既是中國(guó)首個(gè)、也是世界首個(gè)量子衛(wèi)星。
在我國(guó),量子通信技術(shù)從基礎(chǔ)研究向應(yīng)用技術(shù)轉(zhuǎn)化邁進(jìn),面對(duì)國(guó)際上科技巨頭,如IBM、Bell實(shí)驗(yàn)室、德國(guó)西門子公司等都紛紛投入量子通信的產(chǎn)業(yè)化研究之時(shí)。我國(guó)將利用量子通信技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn),作為保障未來(lái)信息社會(huì)通信安全的關(guān)鍵技術(shù),而量子密鑰極有可能會(huì)進(jìn)入普通家庭,服務(wù)于社會(huì)大眾,成為電子商務(wù)、電子醫(yī)療、軍事科技等各種電子服務(wù)的驅(qū)動(dòng)器,為當(dāng)今這個(gè)高度信息化的社會(huì)提供基礎(chǔ)的安全服務(wù)和最可靠的安全保障。
我國(guó)未來(lái)還將發(fā)射多顆量子衛(wèi)星,預(yù)計(jì)到2020年實(shí)現(xiàn)亞洲與歐洲的洲際量子密鑰分發(fā)。屆時(shí),連接亞洲與歐洲的洲際量子通信網(wǎng)也將建成,2030年左右將建成全球化的廣域量子通信網(wǎng)絡(luò)。隨著量子通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,量子通信將迎來(lái)巨大的市場(chǎng)。有人預(yù)測(cè),國(guó)內(nèi)量子通信短期市場(chǎng)規(guī)模在100億至130億元左右,長(zhǎng)期市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)千億元。
5 量子技術(shù)的應(yīng)用對(duì)物理學(xué)發(fā)展的一些思考
量子通信技術(shù)的發(fā)展,基礎(chǔ)是物理學(xué)理論的發(fā)展,筆者認(rèn)為21世紀(jì)是要把微觀和宏觀整體地聯(lián)系起來(lái)。這種結(jié)合對(duì)應(yīng)用科技影響深遠(yuǎn),我們回過(guò)頭來(lái)看看,目前的科學(xué)發(fā)明在19世紀(jì)末都是很難想象的!沒有20世紀(jì)初基礎(chǔ)物理科學(xué)的發(fā)展,21世紀(jì)的科技應(yīng)用和開發(fā)也無(wú)法迅速發(fā)展,那么,發(fā)展好當(dāng)代物理理論研究應(yīng)該對(duì)今后的技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] ASSCHE G V.Quantum Cryptography and Secret-key Distillation[M].New York:Cambridge University Press,2006.