谷歌量子计算机:开启计算新纪元
量子计算的黎明
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在科技迅猛发展的时代,量子计算作为前沿领域,正逐渐崭露头角,吸引着全球无数科研人员与科技巨头的目光。它宛如一把开启未来科技大门的钥匙,为解决诸多复杂难题提供了前所未有的可能性。
量子计算,简单来说,是一种基于量子力学原理的新型计算模式 ,与传统计算机依赖二进制的 0 和 1 进行计算不同,量子计算机利用量子比特(qubit)的叠加态和纠缠态来处理信息。这意味着一个量子比特可以同时处于 0 和 1 两种状态,大大增加了信息处理的并行性,让量子计算机能够在瞬间完成传统计算机需要数千年甚至更久才能完成的复杂计算任务。这种强大的计算能力,使得量子计算在密码学、材料科学、金融风险预测、药物研发等众多领域展现出巨大的应用潜力。
而在量子计算领域,谷歌无疑是一位举足轻重的参与者。谷歌凭借其强大的科研实力和对前沿技术的敏锐洞察力,在量子计算的研究与开发上投入了大量资源,取得了一系列令人瞩目的成果,成为推动量子计算发展的重要力量。
谷歌量子计算机发展历程
(一)早期探索与起步
早在 21 世纪初,当量子计算还只是一个充满科幻色彩的概念时,谷歌就已经敏锐地捕捉到了这一领域的巨大潜力 。2006 年,谷歌内部开始组建专门的团队,探索量子计算相关技术,最初,团队成员主要来自谷歌的人工智能实验室和一些外部的量子物理专家,他们的目标是将量子计算与谷歌擅长的机器学习、人工智能等领域相结合,开辟新的研究方向。
在早期阶段,谷歌的量子计算研究主要集中在理论探索和技术选型上。团队成员们深入研究各种量子比特的实现方案,包括超导电路、离子阱、量子点等 。经过反复实验和论证,谷歌最终选择了超导电路作为其量子计算机的主要技术路线。这一选择主要基于超导电路易于集成、可扩展性强等优势,为后续的量子芯片研发奠定了基础。
(二)关键突破节点
2017 年,谷歌推出了名为 “Bristlecone”(锥体)的 72 量子比特超导量子芯片,虽然这一芯片在性能和稳定性上还存在诸多问题,但它标志着谷歌在量子比特数量上取得了重大突破,展示了谷歌在量子计算领域的研发实力,也吸引了更多的关注和资源投入 。
2019 年,谷歌推出了具有里程碑意义的 “悬铃木”(Sycamore)54 量子比特处理器 。在一次著名的实验中,“悬铃木” 仅用 200 秒就完成了一项传统超级计算机需要大约 1 万年才能完成的随机电路采样任务,这一成果被谷歌称为实现了 “量子霸权”,即在特定任务上量子计算机的性能远远超过了现有的经典计算机 。这一消息瞬间轰动全球,引发了科学界和产业界对量子计算的广泛关注和热烈讨论,也标志着量子计算从理论研究迈向了实际应用的重要一步 。
“悬铃木” 的成功,不仅证明了量子计算的可行性和巨大潜力,也为谷歌在量子计算领域赢得了声誉和优势 。此后,谷歌继续加大研发投入,不断改进量子比特的质量、提高量子门操作的保真度,并致力于增加量子比特的数量,以提升量子计算机的性能和实用性 。
(三)最新进展 ——Willow 芯片
2024 年,谷歌发布了新一代量子计算芯片 Willow,再次成为全球科技界的焦点 。Willow 芯片拥有 105 个量子比特,在量子纠错和计算速度方面取得了重大突破 。
在量子纠错方面,Willow 芯片解决了困扰学界近 30 年的 “量子纠错阈值” 问题 。随着芯片里量子比特数量的增多,通过改进芯片中的量子比特,Willow 可以成倍地减少计算错误 。研究团队将量子位元布置在一个方形网格上,通过逐步增加网格的尺寸从三乘三到五乘五,再到七乘七,逐渐降低了系统的错误率,成功实现了 “低于阈值”(Below Threshold)的性能 。这一进展意味着,Willow 系统在量子计算方面的稳定性和可用性达到了新的高度,为实现大规模量子计算奠定了坚实的基础 。
在计算速度方面,Willow 芯片同样表现出色 。在 “随机电路取样”(RCS)基准测试中,Willow 能够在不足 5 分钟的时间内完成任务,而传统的超级计算机 Frontier 则需要长达 10,000,000,000,000,000,000,000,000 年的时间来得出相同的结果 。这样的对比,充分展示了量子计算的巨大飞跃潜力,也让人们对量子计算的未来充满了期待 。
技术原理剖析
(一)量子比特的奥秘
在传统计算机中,比特(bit)是信息的基本单位 ,它只有两种状态,即 0 和 1 。就像一个开关,要么处于打开状态(代表 1),要么处于关闭状态(代表 0) 。传统计算机通过对这些比特进行逻辑运算来处理信息,每一步计算只能处理一个确定的状态 。
而量子比特(qubit)则截然不同 。量子比特不仅可以处于 0 和 1 这两种经典状态,还可以处于它们的叠加态 。用数学公式表示,一个量子比特的状态可以写成
∣ψ⟩=α∣0⟩+β∣1⟩
,其中
α
和
β
是复数,且满足
∣α∣2+∣β∣2=1
。这意味着量子比特可以同时表示 0 和 1 ,并且处于这两个状态的概率分别为
∣α∣2
和
∣β∣2
。当对量子比特进行测量时,它会以一定的概率坍缩到 0 或 1 的状态 。
这种叠加态赋予了量子计算机强大的并行计算能力 。例如,对于一个包含 n 个比特的传统计算机,它一次只能处理 2^n 个可能状态中的一个 。而一个包含 n 个量子比特的量子计算机,由于量子比特的叠加特性,它可以同时处理这 2^n 个状态 ,相当于同时进行了 2^n 次计算 。这种并行计算能力使得量子计算机在处理某些复杂问题时,能够远远超越传统计算机的计算速度 。
除了叠加态,量子比特还具有纠缠特性 。当两个或多个量子比特处于纠缠态时,它们之间会形成一种特殊的关联 ,无论它们相隔多远,对其中一个量子比特的测量都会瞬间影响到其他纠缠的量子比特的状态 。这种超距作用是量子力学中最神奇的现象之一 ,也是量子计算的重要资源 。例如,在一个由两个纠缠量子比特组成的系统中,它们的状态可以表示为
∣ψ⟩=21(∣00⟩+∣11⟩)
。此时,这两个量子比特的状态是紧密相关的 ,如果对其中一个量子比特进行测量,得到结果为 0,那么另一个量子比特也必然处于 0 的状态 ;反之,如果测量结果为 1,另一个量子比特也会处于 1 的状态 。这种纠缠特性可以用于量子通信、量子加密等领域,同时也为量子计算提供了更强大的计算能力 。
(二)量子纠错技术详解
虽然量子比特具有强大的计算能力,但它们也非常脆弱,容易受到外界环境的干扰而出现错误 。这些干扰可能来自于热噪声、电磁辐射、量子比特之间的相互作用等因素 。量子比特的错误会随着计算过程的进行而不断累积,最终导致计算结果的不准确 。因此,量子纠错技术对于量子计算的发展至关重要 。
谷歌在 Willow 芯片中实现的量子纠错技术基于表面码(Surface Code) 。表面码是一种拓扑量子纠错码,它通过将多个物理量子比特编码成一个逻辑量子比特,来提高量子比特的稳定性和抗干扰能力 。在表面码中,物理量子比特被排列成一个二维网格结构 ,通过特定的纠缠操作,使得逻辑量子比特的信息被分散存储在多个物理量子比特之间 。这样,当某个物理量子比特出现错误时,系统可以通过对其他物理量子比特的测量和纠错操作,来恢复逻辑量子比特的正确状态 。
具体来说,表面码的纠错过程可以分为以下几个步骤:首先,对物理量子比特进行一系列的测量操作,这些测量操作不会直接读取量子比特的信息,而是用于检测是否存在错误以及错误的位置 。然后,根据测量结果,利用预先设计好的纠错算法,确定需要进行的纠错操作 。最后,通过对物理量子比特施加特定的量子门操作,来纠正错误,恢复逻辑量子比特的正确状态 。
以一个简单的 3x3 量子比特网格为例,中心位置的物理量子比特存储实际的量子信息(数据比特),周围 8 个物理量子比特作为辅助比特 。通过对辅助比特进行测量,可以检测到中心数据比特是否发生错误 。如果检测到错误,就可以根据测量结果,通过特定的量子门操作来纠正错误 。在实际应用中,谷歌的 Willow 芯片通过逐步扩大量子比特阵列规模,从 3x3 到 5x5 再到 7x7,每次都能将错误率降低一半 ,成功实现了 “低于阈值”(Below Threshold)的性能 。这意味着,Willow 系统在量子计算方面的稳定性和可用性达到了新的高度 ,为实现大规模量子计算奠定了坚实的基础 。
量子纠错技术的突破,不仅提高了量子计算机的计算精度和可靠性,也为量子计算机的实际应用开辟了更广阔的道路 。它使得量子计算机能够处理更复杂的计算任务,在科学研究、金融分析、密码学等领域发挥更大的作用 。
应用领域与潜在影响
(一)科学研究新助力
在材料科学领域,量子计算机为科学家们打开了一扇全新的探索之窗 。传统计算机在模拟材料的微观结构和性质时,常常面临计算能力的瓶颈,难以准确地预测材料在各种复杂条件下的行为 。而量子计算机凭借其强大的计算能力和独特的量子模拟技术,能够精确地模拟材料中原子和分子之间的相互作用 。
以高温超导材料的研究为例,理解高温超导材料的微观机制一直是材料科学领域的重大难题 。谷歌的量子计算机可以模拟高温超导材料中电子的行为,帮助科学家们揭示高温超导的物理机制,从而加速新型高温超导材料的研发进程 。通过量子模拟,科学家们可以在计算机上快速筛选大量的材料候选方案,预测材料的性能,大大减少了实验的盲目性和成本 。
在药物研发方面,量子计算机同样具有巨大的潜力 。药物研发是一个漫长而复杂的过程,需要对大量的分子结构进行分析和筛选,以寻找具有潜在治疗效果的药物分子 。传统的计算方法在处理分子的量子力学性质时,效率较低,难以满足药物研发的需求 。量子计算机可以利用量子比特的叠加态和纠缠态,同时对多个分子进行模拟和计算,快速预测药物分子与靶点之间的相互作用,大大缩短药物研发的周期 。
例如,谷歌与制药巨头勃林格殷格翰合作,利用量子计算机成功模拟了细胞色素 P450 酶 。这种酶在人体中起着分解血液里药物的作用,直接关系到药效和副作用 。通过量子模拟,研究人员能够更深入地了解药物分子与该酶的相互作用机制,为开发更安全、有效的药物提供了重要的依据 。量子计算机还可以帮助研究人员快速筛选大量的药物分子库,发现新的药物靶点和先导化合物,为新药研发开辟新的途径 。
(二)商业与工业变革
在金融领域,量子计算机有望为投资决策、风险评估等关键业务带来革命性的变化 。投资组合优化是金融领域中的一个重要问题,传统的计算方法在处理大规模的投资组合时,需要耗费大量的时间和计算资源 。量子计算机可以利用量子优化算法,快速找到最优的投资组合方案,在降低风险的同时提高投资回报率 。
摩根大通等金融机构早已开始布局量子计算领域,投入大量资金建立内部科学家团队,致力于研究新的量子算法和应用程序 。他们希望通过量子计算技术,更准确地预测市场趋势,优化投资组合,提高金融交易的安全性 。在风险评估方面,量子计算机可以对海量的金融数据进行快速分析,考虑更多的风险因素,提供更精确的风险评估结果,帮助金融机构更好地管理风险 。
在物流行业,量子计算机可以用于优化物流配送路线、仓库布局等 。物流配送路线的优化是一个典型的组合优化问题,涉及到多个配送点、车辆和时间限制等因素 。传统的算法在处理大规模的物流配送问题时,很难在合理的时间内找到最优解 。量子计算机可以利用其强大的计算能力,快速计算出最优的配送路线,减少运输成本和时间 。通过对仓库布局的优化,量子计算机可以提高仓库的空间利用率,加快货物的出入库速度,提升物流效率 。
例如,在一个拥有多个仓库和配送点的物流网络中,量子计算机可以根据订单信息、车辆运力、交通状况等因素,快速规划出最佳的配送路线,使货物能够以最快的速度、最低的成本送达客户手中 。这不仅可以提高客户满意度,还能为物流企业节省大量的运营成本 。
(三)对社会和科技发展的深远影响
从宏观角度来看,谷歌量子计算机的发展对加密技术和人工智能等领域产生了深远的影响 。在加密技术方面,量子计算机的强大计算能力对传统的加密算法构成了巨大的威胁 。传统的加密算法大多基于数学难题,如大数分解和离散对数问题 。量子计算机可以利用 Shor 算法等量子算法,在短时间内破解这些传统加密算法,这使得当前的信息安全面临严峻的挑战 。
为了应对这一挑战,研究人员正在积极研发抗量子计算攻击的加密算法,即后量子密码学 。谷歌已经在 Chrome 浏览器中集成了一些抗量子密码学技术,如 X25519Kyber768,这是一种将现有安全算法与针对量子计算机的保护相结合的技术 。后量子密码学的发展不仅关乎信息安全,还涉及到金融、通信、政府等多个重要领域,是未来信息安全领域的重要研究方向 。
在人工智能领域,量子计算与人工智能的融合为人工智能的发展带来了新的机遇 。人工智能的发展依赖于大量的数据和强大的计算能力,量子计算机的高速运算能力可以加速人工智能算法的训练和优化过程,从而提高人工智能系统的性能和准确性 。在深度学习中,量子计算机可以加速神经网络的训练过程,减少训练时间,提高模型的泛化能力 。量子计算还可以为人工智能提供新的算法和模型,拓展人工智能的应用领域 。
例如,在图像识别、语音识别、自然语言处理等领域,量子计算有望帮助人工智能系统更好地理解和处理信息,实现更高级的智能应用 。量子计算与人工智能的融合,将推动人工智能技术向更高层次发展,为解决复杂的现实问题提供更强大的工具 。
挑战与局限
(一)技术瓶颈
尽管谷歌量子计算机取得了显著进展,但仍面临诸多技术瓶颈 。量子比特的稳定性依然是一个关键问题 。量子比特非常脆弱,极易受到外界环境的干扰,如温度的微小波动、电磁辐射以及量子比特之间的相互作用等 。这些干扰会导致量子比特的量子态发生退相干,使得量子比特从叠加态坍缩到经典态,从而产生计算错误 。
量子纠错技术虽然取得了突破,但仍有优化空间 。当前的量子纠错方案,如谷歌 Willow 芯片中采用的表面码纠错技术,虽然能够有效地降低错误率,但需要大量的物理量子比特来编码一个逻辑量子比特 ,这增加了量子计算系统的复杂性和成本 。寻找更高效、更简洁的量子纠错码,以及优化量子纠错的算法和硬件实现,仍然是量子计算领域的重要研究方向 。
量子比特的扩展也是一个挑战 。随着量子比特数量的增加,量子比特之间的耦合和控制变得更加复杂 ,需要更精确的量子门操作和更强大的量子控制技术 。同时,量子比特的增加也会导致系统中的噪声和错误源增多,进一步加大了量子纠错的难度 。如何在增加量子比特数量的同时,保持量子计算系统的稳定性和性能,是未来需要解决的重要问题 。
(二)实际应用障碍
从实验室到大规模商业应用,谷歌量子计算机还面临着一系列实际应用障碍 。量子计算机的成本非常高昂 。量子计算机的研发、制造和维护都需要大量的资金投入 。量子芯片的制造工艺复杂,需要高精度的设备和技术 ;量子计算机需要在极低温的环境下运行,这需要配备昂贵的制冷设备和复杂的温控系统 ;量子计算系统的维护和升级也需要专业的技术人员和大量的资源 。这些因素使得量子计算机的成本居高不下,限制了其在商业领域的广泛应用 。
量子计算机与现有技术的兼容性也是一个问题 。目前,大多数企业和机构使用的是传统的计算机系统和软件 ,要将量子计算机融入现有的计算环境,需要解决量子计算机与传统计算机之间的数据交互、接口标准以及软件兼容性等问题 。开发适用于量子计算机的软件和算法也是一个挑战 ,需要培养一批既懂量子计算又懂应用领域的专业人才 。
量子计算的实际应用还面临着市场需求和商业模式的不确定性 。虽然量子计算在某些领域具有巨大的潜力,但目前市场对于量子计算的实际需求还不够明确 ,如何找到量子计算的杀手级应用,开发出能够满足市场需求的量子计算服务和产品,是推动量子计算商业化的关键 。同时,量子计算的商业模式也需要进一步探索 ,如何实现量子计算的价值最大化,如何与现有产业进行融合,都是需要解决的问题 。
行业竞争与合作
(一)与其他科技巨头竞争态势
在量子计算这片充满机遇与挑战的领域,谷歌并非独自前行,而是与诸多科技巨头展开了激烈的竞争。微软和 IBM 便是其中的佼佼者,它们在量子计算领域同样投入了大量的资源,取得了一系列令人瞩目的进展 。
IBM 作为传统计算机领域的巨头,在量子计算领域也有着深厚的技术积累和强大的研发实力 。IBM 采用了与谷歌不同的技术路线,专注于量子比特的质量提升和量子纠错算法的研究 。IBM 已经推出了多款量子计算机,其中 IBM Q System One 是全球首个商用量子计算系统 ,为企业和科研机构提供了量子计算服务 。IBM 还在不断增加量子比特的数量,其最新的 Condor 量子处理器拥有 1121 个量子比特 ,在量子比特数量上领先于谷歌的 Willow 芯片 。IBM 也注重量子计算的应用开发,与众多企业和机构合作,探索量子计算在金融、医疗、能源等领域的应用 。
微软则在量子软件和算法方面有着独特的优势 。微软开发了量子编程语言 Q#,为量子计算提供了一个强大的编程平台 。Q# 语言使得开发者可以更方便地编写量子算法,加速量子计算的应用开发 。微软还致力于拓扑量子比特的研究,这种量子比特具有更高的稳定性和抗干扰能力 。虽然拓扑量子比特的技术难度较大,但一旦取得突破,将为量子计算带来质的飞跃 。微软与许多高校和科研机构合作,共同推动量子计算技术的发展 。
谷歌在量子计算领域的优势在于其在超导量子比特技术上的领先地位 。谷歌的 Willow 芯片在量子纠错和计算速度方面取得了重大突破,展示了谷歌在量子计算硬件方面的强大实力 。谷歌还积极与其他领域的企业合作,探索量子计算在实际应用中的潜力 。谷歌与制药公司勃林格殷格翰合作,利用量子计算机模拟药物分子与靶点的相互作用,加速药物研发进程 。谷歌还与能源公司合作,研究如何利用量子计算优化能源分配和管理 。
然而,谷歌也面临着来自微软和 IBM 等竞争对手的挑战 。在量子比特数量方面,IBM 已经超过了谷歌,这可能会在某些计算任务上具有优势 。微软在量子软件和算法方面的优势,也可能会吸引更多的开发者和企业,从而影响谷歌在量子计算生态系统中的地位 。市场竞争的加剧也可能导致量子计算技术的同质化,谷歌需要不断创新,才能保持其在量子计算领域的领先地位 。
(二)产学研合作模式
为了加速量子计算技术的发展和应用,谷歌积极与高校、科研机构展开合作,形成了产学研紧密结合的合作模式 。这种合作模式不仅为谷歌提供了丰富的人才资源和前沿的科研成果,也为高校和科研机构的学生和研究人员提供了实践机会和应用场景 。
谷歌与加州理工学院、斯坦福大学等世界知名高校建立了长期的合作关系 。在这些合作中,谷歌为高校提供量子计算硬件设备和技术支持,高校则利用这些资源开展量子计算相关的研究项目 。双方的研究人员可以共同参与项目,分享研究成果和经验 。谷歌与加州理工学院合作开展了量子信息科学的研究,共同探索量子比特的新物理机制和量子纠错的新方法 。这种合作不仅促进了学术研究的进展,也为谷歌的量子计算技术研发提供了理论支持 。
谷歌还与一些科研机构合作,共同推动量子计算技术的产业化应用 。例如,谷歌与桑迪亚国家实验室合作,研究如何利用量子计算优化核聚变反应堆的设计 。核聚变能源是一种清洁、高效的能源,但目前的核聚变反应堆设计还存在许多技术难题 。谷歌和桑迪亚国家实验室的合作,旨在利用量子计算机的强大计算能力,模拟核聚变反应过程,优化反应堆的设计,提高核聚变能源的利用效率 。这种合作不仅有助于解决实际问题,也为量子计算技术的产业化应用开辟了新的道路 。
产学研合作模式对于量子计算技术的突破和人才培养具有重要意义 。通过合作,高校和科研机构的研究人员可以接触到实际的应用场景,将理论研究与实际需求相结合,从而推动量子计算技术的创新和发展 。合作也为高校培养了一批既懂量子计算理论又具备实践能力的专业人才,这些人才将为量子计算领域的发展注入新的活力 。谷歌在产学研合作中也能够获取最新的研究成果和优秀的人才,进一步提升其在量子计算领域的竞争力 。
未来展望
(一)谷歌量子计算短期目标
在短期内,谷歌量子计算的目标聚焦于特定领域的应用落地和技术指标的提升 。在应用方面,谷歌计划与更多的企业和研究机构合作,推动量子计算在药物研发、材料科学、金融等领域的实际应用 。谷歌可能会与更多的制药公司合作,利用量子计算机模拟药物分子与靶点的相互作用,加速新药研发的进程 。在材料科学领域,谷歌可能会与材料研究机构合作,探索量子计算在新型材料设计和性能优化方面的应用 。
在技术指标提升方面,谷歌将继续优化量子比特的性能,提高量子门操作的保真度,进一步降低量子计算的错误率 。谷歌也会致力于增加量子比特的数量,提升量子计算机的计算能力 。谷歌计划在未来几年内,将量子比特的数量提升到数百个甚至更多,以实现更复杂的计算任务 。谷歌还将加强量子软件和算法的研发,开发出更高效、更实用的量子算法,为量子计算的应用提供强大的软件支持 。
(二)量子计算长期愿景
从长远来看,量子计算有望全面融入人们的生活和各个行业,带来前所未有的变革 。在日常生活中,量子计算可能会为我们的智能设备带来更强大的计算能力和更智能的交互体验 。未来的智能手机可能会搭载量子计算芯片,实现更快速的语音识别、图像识别和自然语言处理,为用户提供更加便捷的服务 。在智能家居领域,量子计算可以帮助优化家庭能源管理、智能安防等系统,提高生活的舒适度和安全性 。
在各行业中,量子计算将发挥巨大的作用 。在交通领域,量子计算可以用于优化交通流量、设计更高效的交通工具,缓解交通拥堵,减少能源消耗 。在能源领域,量子计算可以帮助研究人员开发更高效的能源存储和转换技术,推动可再生能源的发展,解决能源危机 。在农业领域,量子计算可以用于优化农作物种植方案、预测病虫害,提高农业生产效率,保障粮食安全 。
量子计算还将推动基础科学的发展,帮助人类解决一些长期以来的科学难题 。在宇宙学领域,量子计算可以帮助科学家模拟宇宙大爆炸初期的物理过程,探索宇宙的起源和演化 。在生物学领域,量子计算可以用于研究蛋白质折叠、基因表达等复杂的生物过程,为攻克疑难病症提供新的思路和方法 。
量子计算的未来充满了无限的可能性,它将引领我们进入一个全新的科技时代 。虽然目前量子计算还面临着诸多挑战,但随着技术的不断进步和创新,相信这些挑战都将被逐一克服 。让我们共同期待量子计算在未来能够绽放出更加耀眼的光芒,为人类的发展和进步做出更大的贡献 。
结语
谷歌量子计算机一路走来,从早期的探索起步,到如今取得令人瞩目的技术突破,如 Willow 芯片在量子纠错和计算速度上的惊艳表现,不仅为量子计算领域的发展树立了重要的里程碑,也让我们看到了量子计算在解决复杂问题上的巨大潜力 。它在科学研究、商业与工业等多领域的应用探索,正在悄然改变着我们的世界,对加密技术和人工智能等领域产生着深远影响 。尽管目前仍面临技术瓶颈和实际应用障碍,且处于激烈的行业竞争中,但通过产学研合作模式,谷歌不断整合资源,推动技术进步 。展望未来,无论是短期的应用落地和技术指标提升,还是长期全面融入各行业的愿景,量子计算都充满希望 。作为科技爱好者和行业从业者,我们应持续关注谷歌量子计算机以及整个量子计算领域的发展,期待更多科技创新成果的涌现,共同见证这个充满无限可能的科技新时代 。