物理学:黑洞之光和有噪中度量子时代的晨曦

作者: 施郁

来源: 知识分子

发布日期: 2019-12-28

2019年,物理学领域有两个进展特别突出的领域:黑洞之光和有噪中度量子时代的开始。黑洞之光通过全球射电天文台的协同工作,验证了爱因斯坦广义相对论的预言,并首次拍摄到黑洞的“照片”。有噪中度量子时代的开始则展示了量子计算的潜力,通过量子叠加态的操控,实现了超越经典计算机的计算任务。

2019年,物理学领域有两个进展特别突出的领域。首先是黑洞之光。1919年,英国天文学家宣布,远方恒星的光经过太阳附近时,发生偏折,验证了爱因斯坦广义相对论的预言。100年后的2019年,最大的物理学新闻也是关于广义相对论的验证,也是通过光线偏折:光线偏折成了一个环!黑洞外的吸积物质产生的光(电磁波)在一个所谓光子环上绕行。

2017年4月,全球8个射电天文台的望远镜同时指向5500万光年外的M87星系的中心。这些望远镜协同工作,利用原子钟同步,并将数据整合,利用相干效应,等效于一个接近地球大小的大望远镜。这就是采用超长基线干涉(VLBI)技术的视界望远镜(EHT),两百多名研究人员参与到了该项目。EHT搜集的数据达到15千万亿字节,超过大强子对撞机一年的数据量。

研究人员将不同温度的电磁辐射用不同的颜色表示,得到黑洞的首张“照片”。

另一个重要进展是有噪中度量子时代的开始。一个比特有0和1两个状态,2个比特有00、01、10和11四个状态,N个比特有2N个状态。量子比特则可以处于这些基本状态的量子叠加态,代表每个基本状态都可能,而且每个由基本状态重组而成的新的基本状态也有可能。量子计算的方案正是基于对量子叠加态的操控。

根据需要解决的计算问题,巧妙地设计量子态的演化过程。对于演化终态做测量,得到各种基本状态的概率分布。这个概率分布巧妙地包含了对计算问题的解决。Google公司John Martinis领导的量子计算研究组用53个超导量子比特组成的处理器,实现了1亿亿个基本量子态构成的状态空间。他们的量子线路中包含随机选择的单比特门,以此进行所谓随机量子线路取样。然后在输出态中,统计基本量子态概率分布。

他们在两百秒内进行了一百万次采样。同样的计算任务需要耗费目前超级计算机的很长时间。

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