C、从量子囚特量子多特到环量子三旋编码 辛哈教授说:高维量子计算机的优势,是能摆脱二进制代码──从一场足球赛通常只想到两个结果:“赢”或者“输”,到再加两个结果“弃权”和“平局”,那么一个量子比特就不足以描述所有的结果,而需要两个量子比特。但在四态系统中,一个量子就够了──在量子计算机中被称为“量子囚特”。对于相同的数据量,高维量子比特又称为“量子多特”──只需要更小的系统就能满足计算需求。 这都是《三旋理论初探》一书解读的内容,因为类圈体的三旋根据排列组合和不相容原理,可构成三代62种自旋状态,并且为量子的波粒二相性能作更直观的说明:在类圈体上任意作一个标记(类似密度波),由于存在三种自旋,那么在类圈体的质心不作任何运动的情况下,观察标记在时空中出现的次数是呈几率波的,更不用说它的质心有平动和转动的情况。这与量子行为同时处于多种状态且能同时处理它的所有不同状态是相通的。 而这正是高维量子比特计算开发的理论基础──再识“比特”、“量子比特”、“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”等三旋共轭编码场,如果从高维量子比特计算机的角度看人类社会和自然界,到处又构成的是一种计算网络,这正是今天的信息时代也能理解的。利用类圈体三旋模型的“比特”、“量子比特”、“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”等多态性和同时性的演示,就能教育普及类似量子计算机到高维量子比特计算机的量子逻辑。同时,这还可能为科学提供21世纪里广泛认识自然、生命、社会现象的数学思维。 所以解读“比特”、“量子比特”、“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”等计算,就是解读生命,解读人工智能、解读深度学习、解读机器学习。而解读生命,解读人工智能、解读深度学习、解读机器学习也就是解读计算。因此生命的解读,为量子信息学打开了广阔的大门,而量子信息学的进展,又为人类认识生命提供了钥匙。 4、量子退火机解读三旋量子比特计算实现 读2018年《科学世界》第3期山田久美写的《新型量子计算机》一文,他提到西森教授说:“量子退火机的特点是实现了超导体圆环的连接,整个系统变得更加稳定”。西森秀稔教授说的利用“超导体圆环”实现量子比特,指的是超导电路利用的是铌(Nb)这种金属元素构成的微小圆环──这种微小的圆环在常温下达不到超导状态,电流呈逆时针流过时,会产生向上的磁场;顺时针流过时,会产生向下的磁场。通过电流产生磁场与电磁铁是同样的道理。在温度降低到大约绝对零度的极低温之后,由于铌的特性,圆环达到超导状态,也就是能实现顺时针和逆时针流动的电流的迭加状态了。这时有电流经过的圆环就会产生极小的磁场线束──磁通量量子。此时的磁通量量子也处于向上和向下的迭加状态,这种磁通量量子就被用作量子比特。例如,把向上的量子比特当作“0”;向下的量子比特当作“1”。 其实《三旋理论初探》一书,和其中的第19章《生命与量子计算机》和第19章第3节《双螺旋结构与量子计算机》中,都在阐释类似超导体圆环的环量子的面旋和线旋──类似电流呈逆时针或顺时针流过超导体圆环,属于面旋;电流呈逆时针流过超导体圆环产生的向上磁场线束循环,和电流呈顺时针流过超导体圆环产生的向下磁场线束循环,属于线旋。但三旋理论的环量子还能产生体旋。 A、超导体圆环向生命双螺旋DNA延伸 辛哈教授的《三维量子比特:量子计算新可能》的文章中说:量子众特计算机关注的不仅是能进行“门操作”任务的光学元件的设计,还要关注将整个系统小型化──其实“小型化”也是D-Wave公司开发的量子退火计算机还没有解决的问题──它的外观很大,与普通的超级计算机相似。原因是它的里面有一个圆筒形的冰冻箱,相当于量子退火计算机心脏部分的“超导电路”就严密地保存于这个冰冻箱里。 而《三旋理论初探》书中讲到“生物超导”却是一种高温超导,在常温下我们人类不仅能好好地活着,而体内也存在“生物超导”体DNA结构。打开一把有两位的号码锁,在电子计算机中一位的状态由0或1规定,两位就构成4种不同,即0与0,0与1,1与0,1与1;随着计算过程的进行,数据位很有秩序地在众多的逻辑门间移动,因此可能需要进行4次尝试才能打开。而一台由极少量的氯仿(CHCl3)构成的两位量子计算机中,一个量子位可同时以0和1的状态存在,两个量子位也构成类似的4种不同状态,但量子位不需移动,要执行的程序被汇编成一系列的射频脉冲,通过各种各样的核磁共振操作把逻辑门带到量子位那里,该锁只用一步就被打开。 这一切用三旋理论很好理解:类圈体同时能作三旋,设体旋为0状态,面旋为1状态;线旋类似原子核磁场和外加磁场,它既能作方向定位又能对体旋和面旋方向进行操作,而且是远距离瞬时缠连的同时作用。这如花样游泳运动员在水中除能作各种表演外,还能听令于岸上的指挥。虽然人工制造三旋很难,但三旋却与物质的各个层次都有联系。例如在分子层次可以把DNA双螺旋结构看成多重类圈体,在原子层次可以把原子被看成单个类圈体。 在量子计算机中,至少要用到两个原子,其中一个除起逻辑测定外,这个额外的位还能起内部量子误差自动校正纠错的作用。例如利用氯仿中氢核和碳核类圈体似的三旋之间的相互作用,建造一个量子受控非门:用一个振荡频率为400兆赫(即射频)的磁场,可以使被置于10特斯拉的恒定磁场(设箭头沿垂线)内的一个氢原子核圈发生体旋。设氢圈的面旋轴向不是朝上就是朝下,即圈面在垂直于恒定磁场的水平方向;设碳圈的面旋轴向确定地朝上,即圈面也在水平方向,当一个适当的射频脉冲加上之后,可以使碳的圈面绕水平方向轴体旋到垂线方向,然后碳圈将绕着垂线方向轴继续体旋,其体旋速度将取决于氯仿分子中氢圈的面旋轴向是否恰巧朝上。 而经百万分之一秒的时间,碳圈的面旋轴向将不是朝上就是朝下,这取决于邻近的氢圈的面旋轴向是朝上或朝下。因为在那一瞬间再发射一个射频脉冲,使碳的圈面再绕水平方向轴体旋90度,这样,如果相邻的氢圈的面旋轴向朝上,此操作就使碳圈的面旋轴向朝下;而如果相邻的氢圈的面旋轴向朝下,它就使碳圈的面旋轴向朝上。可见量子计算是借助于类圈体的三旋转动及“受控非门”的操作,因为作为这种逻辑门三旋基础的面旋轴向可以处于朝上和朝下,以及体旋可以绕水平和垂线轴向转动这两种状态的迭加中,因此,量子计算可以同时对一组似乎互不相容的输入进行操作。 六、结束语 量子计算是一场持久战,有很多问题有待突破和解决。造出中国自己的量子计算机能行吗?一定行!57年前“柯猜弦论”虽然按下“暂停键”,但已指明“科统”的方向,只是“武统”和“文统”还没有认识够。2020年的新冠肺炎病毒“0”号病人,全球至今还未能找到,为啥?说明防控虽然“武统”和“文统”是不可缺少的手段,但最终治愈,说明“科统”参加武统”和“文统”,才是相辅相成──相得益彰--相安无事的根本“定神器”。 用“环量子”造出量子计算机与传统计算机的应用过程一样,必须从一开始就要有构建生态体系的意识,模式应该是政府牵头引导、企业为主攻关、科研院所参加、资方辅助监督、市场检查评价。只有越来越多不同行业的企业加入研发,才能让量子计算有更多应用场景,极大地推动量子计算机的研制效率。 参考文献 [1]王德奎,三旋理论初探,四川科学技术出版社,2002年5月; [2]孔少峰、王德奎,求衡论──庞加莱猜想应用,四川科学技术出版社,2007年9月; [3]王德奎,解读《时间简史》,天津古籍出版社,2003年9月; [4]陈超,量子引力研究简史,环球科学,2012年第7期; [5][英]罗杰•彭罗斯,皇帝新脑,湖南科技出版社,许明贤等译,1995年10月; [6]王德奎,量子计算机与双螺旋结构的三旋联系,延边大学学报(自),1999年第1期; [7]王德奎、林艺彬、孙双喜,中医药多体自然叩问,独家出版社,2020年1月; [8][日]山田久美,新型量子计算机,科学世界,2018年第3期; [9][印度]乌尔巴西•辛哈,三维量子比特:量子计算新可能,环球科学,2020年2月号; [10]刘月生、王德奎等,“信息范型与观控相对界”研究专集,河池学院学报2008年增刊第一期,2008年5月; [11]斯皮里登•米哈拉基斯,破解宏观量子效应,环球科学,2012年9月号; [12][美] 伦纳德·萨斯坎德,黑洞战争,湖南科学技术出版社,李新洲等译,2010年11月; [13]叶眺新,中国气功思维学,延边大学出版社,1990年5月; [12][[美]丽莎·兰道尔.暗物质与恐龙,浙江人民出版社,苟利军、李楠、尔欣中等译,2016年12月。
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