量子編程圖

㈠ 量子計算的基本原理

量子的重疊與牽連原理產生了巨大的計算能力。普通計算機中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進制數（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機中的2位量子位（qubit）寄存器可同時存儲這四個數，因為每一個量子比特可表示兩個值。如果有更多量子比特的話，計算能力就呈指數級提高。 量子位（qubit）是量子計算的理論基石。在常規計算機中，信息單元用二進制的 1 個位來表示，它不是處於「 0」 態就是處於「 1」 態. 在二進制量子計算機中，信息單元稱為量子位，它除了處於「 0」 態或「 1」 態外，還可處於疊加態（super posed state) . 疊加態是「 0」 態和「 1」 態的任意線性疊加，它既可以是「 0」 態又可以是「 1」 態，「 0」 態和「 1」 態各以一定的概率同時存在. 通過測量或與其它物體發生相互作用而呈現出「 0」 態或 「 1」 態.任何兩態的量子系統都可用來實現量子位，例如氫原子中的電子的基態（gro und state）和第 1 激發態（f irstex cited state)、 質子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。
一個量子系統包含若干粒子，這些粒子按照量子力學的規律運動，稱此系統處於態空間的某種量子態.態空間由多個本徵態（eigenstate) （即基本的量子態）構成，基本量子態簡稱基本態（basic state）或基矢（basic vector) . 態空間可用Hilbert 空間（線性復向量空間）來表述，即Hilbert 空間可以表述量子系統的各種可能的量子態.為了便於表示和運算，Dirac提出用符號 x〉 來表示量子態，x〉 是一個列向量，稱為ket ；它的共軛轉置（conjugate t ranspose) 用〈 x 表示，〈 x 是一個行向量，稱為bra.一個量子位的疊加態可用二維Hilbert 空間（即二維復向量空間）的單位向量 〉 來描述，其簡化的示意圖如右圖所示. 量子計算將有可能使計算機的計算能力大大超過今天的計算機，但仍然存在很多障礙。大規模量子計算所存在的一個問題是，提高所需量子裝置的准確性有困難。
世界上第一台商用量子計算機
加拿大量子計算公司D-Wave於2011年5月11日正式發布了全球第一款商用型量子計算機「D-Wave One」，量子電腦的夢想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——「Yes,you can have one.」。其實早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用實用型量子計算機「Orion」（獵戶座），不過嚴格來說當時那套系統還算不上真正意義的量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決問題的特殊用途機器。
時隔四年之後，D-Wave One終於脫胎換骨、正式登場。它採用了128-qubit（量子比特）的處理器，四倍於之前的原型機，理論運算速度已經遠遠超越現有任何超級電子計算機。另外，D-wave公司將會在2013年1月將其升級至512量子比特。不過呢，也別太興奮，這個大傢伙現在還只能處理經過優化的特定任務，通用任務方面還遠不是傳統硅處理器的對手，而且編程方面也需要重新學習。 另外，為盡可能降低qubit的能級，需要利用低溫超導狀態下的鈮產生qubit，D-Wave 的工作溫度需保持在絕對零度附近（20 mK） 。
最後就是價格，2011年，NASA和Google分別以約一千萬美元購置了一台512位qubit的D-Wave量子計算機 。這絕對是天價中的天價了，不過也是新技術開端的必然，就像當初的第一台電子計算機ENIAC造價就有40萬美元（二十世紀四十年代的40萬美元）。

㈡ MIT 發布量子編程語言 Twist，旨在填補量子軟體的空白

麻省理工學院計算機科學與人工智慧實驗室（CSAIL）的一個研究小組創建了一種新的量子計算編程語言，名為 Twist。Twist 的設計目標是讓開發者更容易識別哪些數據是糾纏在一起的，從而創建錯誤更少、更容易調試的量子計算程序。

Twist 項目地址： https://spectrum.ieee.org/quantum-programming-language-twist

Twist 的基礎在於識別量子糾纏。量子糾纏是一種物理現象，指的是量子計算機內兩塊數據的狀態聯結在一起。「當你操作處於糾纏狀態的一塊數據時也可能會影響另一塊。你可以用這種特性來實現強大的量子演算法，但它也讓你寫的程序很難直觀推理，並容易引入微妙的錯誤。」上面這段話來自麻省理工學院 CSAIL 計算機科學博士生、Twist 論文的主要作者 Charles Yuan，這篇論文發表在《ACM 編程語言》雜志上。

Charles Yuan 說：「Twist 提供了一些特性，讓開發者可以確定哪些數據是糾纏的，哪些不是。」「在程序中加入關於糾纏的信息後，你就可以檢查量子演算法的實現是否正確。」

該語言的特性之一是一個類型系統，使開發者能夠指定他們程序中的哪些表達式和數據片斷是純粹的。據 Yuan 說，一個純粹的數據片斷是沒有糾纏的，因此不存在可能由糾纏造成的錯誤和不直觀的效果。Twist 還加入了純度斷言運算符來確認一個表達式不存在與任何其他數據的糾纏關系，與之搭配的還有靜態分析和運行時檢查，可以用來驗證這些斷言。

為了評估這種語言，該團隊用 Twist 為一組著名的量子演算法編寫了一些程序，並在量子模擬器上執行了它們。「我們的實驗表明，運行這些運行時檢查的開銷不超過運行基本程序的 3.5%，我們認為這是相當低的數字，相比語言給你的安全保證來說是一個很好的權衡，」Charles Yuan 說。

該團隊還在一些程序中引入了一些小錯誤，並發現 Twist 可以檢測到這些錯誤並拒絕錯誤的程序。「我們希望，當人們使用我們的語言或為他們的特定用例設計新的量子語言時，他們可以考察一下我們的工作，並認可純度這個想法和將糾纏作為一種特性的設計，因為這將給他們帶來更多信心，讓他們確認自己的程序是正確的，而不必運行大量昂貴的模擬和測試，」Charles Yuan 說。

當許多研究人員專注於開發高效和優化的量子硬體時，Twist 旨在填補量子軟體的空白。麻省理工學院副教授、Twist 論文的共同作者 Michael Carbin 說：「與我們看到的機器學習和其他高性能計算應用類似的是——在硬體發展的每一個新階段，我們都會得到一個新的系統和很多潛在的新能力——如果我們能充分利用硬體能力，也許就能獲得許多不可思議的機會。但幾乎每次都是軟體上的問題讓人們難以利用硬體能力，也很難在不同的軟體系統中部署和廣泛使用這些硬體。」「我們正在做的工作是奠定一些基礎，並試圖找出一些可能提升這些類型設備可編程性的核心抽象。」

然而，該團隊在構建 Twist 時面臨的挑戰之一是缺乏一個關於量子程序特徵的標准。「多年來，人們已經開發了一些核心演算法來解決個別復雜的任務，如整數因式分解等，但我們如何為它建立一個完整的軟體生態系統卻依舊是個問號，」Charles Yuan 說。「有了 Twist，我們就能夠圍繞我們對要在量子計算機上執行的任務的最佳共識來構建語言，並讓編程語言對這些任務盡可能具有表達力。」

談到局限，Twist 只能告訴你一個數據是否與其他數據糾纏在一起，但不能告訴你它們是如何糾纏在一起的。」袁說：「它們糾纏的具體方式將決定一個量子演算法是否正確，但數據糾纏的方式有無數種。」給出這種更精細的細節是一個真正的挑戰，這也是我們未來需要做的事情。」

該團隊現在正在開發另一種語言，它建立在 Twist 的基礎上，目標是應對其他量子現象（如相位和疊加）。但他們希望 Twist 將為創造更好的量子程序鋪平道路。

Charles Yuan 說：「對於一位試圖實現量子演算法的開發者來說，他們需要語言中內置的工具來告訴他們程序中正在發生一些由糾纏引發的事情。」如果我們能夠構建一系列核心語言原則和特性，讓開發者可以推理糾纏現象，我們就可以減輕糾纏帶來的認知負擔，並讓開發者寫出更符合直覺的程序。」

原文鏈接：

https://spectrum.ieee.org/quantum-programming-language-twist

㈢ 世界量子計算研究進展

量子計算機遵循量子力學的原理運行，通過量子態的粒子進行運算。相比於傳統架構的計算機，量子計算機在計算能力上擁有無法比擬的優勢。20世紀80年代以來，經過幾次發展浪潮，量子計算重歸公眾與學術界視野，成為新一輪的研究熱門。自2019年穀歌公司宣布「量子優越性」以來，各國競相開發多量子比特數、高容錯率的量子計算機，以期實現通過使用量子計算解決傳統架構計算機難以完成的復雜任務。

1.美國費米國家加速器實驗室開發出適用於量子計算的超導射頻腔體2020年2月，美國費米國家加速器實驗室（Fermilab)的研究人員開發出適用於量子計算的超導射頻腔體，該腔體僅為手掌大小，可在短時間內將粒子加速至極高的速度以用於量子計算研究。研究人員在阿貢國家實驗室的高性能計算機上進行模擬實驗，從而預測該腔體的性能，以便改進設計，提高該腔體在量子計算機開發中的作用。

2.國際聯合研究團隊取得容錯量子計算新突破

2020年4月，麻省理工學院、加州大學河濱分校(University of California，Riverside,UC Riverside)、 香港 科技 大學(The Hong Kong University of Science andTechnology，HKUST）和印度理工學院(Indian Institute of Technology，IIT)的研究人員首次在金屬材料金中觀察到馬約拉納費米子(Majorana Fermion)，該發現將推進容錯量子計算的研究。馬約拉納費米子是一種特殊的粒子，其反粒子與自身的特性完全相同，可用於創建量子計算中的穩定比特。同時，該粒子還使在固體中實現拓撲量子計算成為可能。本次在金材料中發現的馬約拉納費米子，適用於標準的納米製造技術，可用於容錯量子計算機的量子位構建塊。該研究成果為量子計算機性能的提升進一步鋪平了道路。

3.美國研究人員開發出新的量子計算控制方法

2020年4月，美國艾姆斯實驗室(Ames Laboratory)、布魯克海文國家實驗室(Brookhaven National Laboratory，BNL）和阿拉巴馬大學伯明翰分校（The UniversityofAlabama at Birmingham，UAB)的研究人員發現了狄拉克半金屬中的光致開關機制。該機制為拓撲材料中電子和原子的運動控制建立了一種新方法，這將使拓撲晶體管和光量子計算機成為可能。藉助新的方法，研究人員可通過光線控制狄拉克半金屬中的量子態，相比基於電場、磁場和應變場控制的調諧方法，其調諧速率更快，且能耗更低，有利於開發量子計算策略和高速、低能耗的電子產品。

4.美國研究人員證明室溫下量子計算的可行性

2020年5月，美國陸軍研究實驗室與麻省理工學院的研究人員合作證明了室溫下量子計算的可行性。研究人員通過計算機模擬證明，可在非線性光學晶體中製造出空腔並將光子暫時捕獲在其內部，以此建立量子位，並用晶體腔是否帶有光子表示不同的量子態，進而創建量子邏輯門。這一研究成果表明，結合非線性光學晶體的光子電路已成為目前在室溫下使用固態系統進行量子計算最具可能性的方法。研究人員預計，該技術的成功演示還需要約十年的持續研究。

5.瑞士蘇黎世聯邦理工學院開發出首套直觀的量子編程語言

2020年6月，瑞士蘇黎世聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of TechnologyZurich，ETH)的研究人員開發出首套直觀的量子編程語言Silq，該語言允許開發者像傳統計算機一樣簡單、可靠且安全地對量子計算機進行編程。Silq語言並未圍繞硬體的結構和功能來開發，其主要目標是幫助開發者專注於任務，而不必理解量子計算機體系結構和系統實現的每個細節。研究人員表示，與現有語言相比，Silq語言更緊湊、更快、更直觀且更易於理解，能使開發者更好地挖掘量子計算機的潛力。

6.美國麻省理工學院提出一種可同時用於量子計算和量子通信的架構

2020年7月，美國麻省理工學院的研究人員提出一種量子計算架構，可執行量子計算，同時在處理器之間快速共享量子信息。研究人員基於超導量子位創造出一種人造的「巨型原子」，可以調整量子位與波導相互作用的強度，從而可以保護脆弱的量子位免受量子退相干現象或波導管在執行高保真操作時可能會加速的自然衰減的影響。通過巨型原子執行量子計算，量子比特與波導耦合的強度會重新調整，量子位能夠以光子的形式將量子數據釋放到波導中。在演示實驗中，兩量子比特糾纏的保真度達到94%。該研究使量子信息處理和量子通信成為一體，有望為研發完整的量子平台開辟新的道路。

7.IBM公司大幅改進其量子計算機性能

2020年8月，IBM公司宣布將其量子計算機的量子體積(量子體積為IBM公司開發的量子計算性能指標）提升至64，相比於2019年的32提升了一倍。該指標的提升意味著量子計算機能執行更快、更復雜的計算。「量子體積」指標用於衡量量子計算機的性能，其影響因素包括量子比特數、門和測量誤差、設備交叉通信，以及設備連接和電路編譯效率等。為爭奪「量子優越性」，即量子計算機性能的優勢，IBM公司為其量子計算機定下「量子體積」每年翻番的目標。隨著霍尼韋爾公司、IBM公司不斷提升其量子計算機的性能，商業硬體公司在量子計算領域的競爭還將進一步白熱化。

8.美國哥倫比亞大學將牽頭開發量子模擬器

2020年9月，美國哥倫比亞大學（Columbia University)獲得美國國家科學基金會（NationalScience Foundation，NSF)撥款100萬美元，用於建造量子模擬器。哥倫比亞大學的研究人員將與來自學術界、國家實驗室和行業的物理學家、工程師、計算機科學家、數學家和教育家等人士進行合作研究，基於原子的有序陣列構建通用的量子模擬器。該模擬器有望促進通用量子計算機的推出，用於處理傳統超級計算機無法運算的復雜問題。

9.美國IonQ公司推出下一代量子計算機硬體路線圖和新型量子計算性能指標

2020年12月，美國IonQ公司描述了其擴展下一代離子阱量子計算機的戰略和目標，並推出了一種新的量子計算性能指標。該公司的技術戰略包括增加量子比特數量、提高量子比特門保真度、使其晶元和系統小型化、降低製造成本、利用糾錯技術有效改善本地量子比特質量，以及使用光子網路將多個模塊組合成一個更大的系統。此前，業界通常使用IBM公司提出的「量子體積」指標來衡量量子計算機的性能。然而，IonQ公司認為，量子體積度量標准存在缺陷，當量子計算機的性能足夠強大時，這一度量標准將存在局限性。因此，該公司推出了自己的度量標准，並稱之為與量子體積相關的「演算法量子比特」(Algorithmic Qubits)。IonQ公司的相關規劃體現了其自主創新的堅定決心。

㈣ 量子計算機的原理是什麼

大約到2030年，每個人桌上的電腦主機不會再使用晶元與半導體，而是充滿液體。而這正是新一代量子電腦的奇特造型。

也許你已經知道，量子電腦應用的不再是現實世界裡的物理定律，而是玄妙的量子原理。它的運算速度可能比目前個人電腦的奔騰Ⅲ晶元快10億倍，可以在二瞬間搜尋整個國際網路，也可以輕易破解任何安全密碼。而且，最重要的一點是，這一切絕非科幻小說。與傳統電腦不同的是，量子電腦將以原子而非晶元進行運算。第一台量子電腦可能會是個粗糙、昂貴、只能用一次的科學實驗品，但2001年以來的各種實驗結果顯示，這項科學理論的確管用。

美國麻省理工學院與英國牛津大學是量子電腦研究的先驅，IBM與惠普電腦公司也不落人後。對量子電腦的驚人性能感到擔憂的美國政府，更是在洛斯阿拉莫斯國家實驗室，不計成本地設立了量子電腦研究基地。

要讓原子乖乖地為人類服務這個難題，無論是在理論上，坯是在實踐上，都對科學家發出了嚴峻挑戰。因為量子世界是個超乎常理的環境，我們可能永遠也猜不出它的「謎底」。量子電腦也有很多匪夷所思的地方，它能夠設想無限多個宇宙並列的場面，並由此「算出」可能出現的各種情況。而這意味著，不同的人在不同的時間，通過量子電腦計算得到的，很可能是不同的答案。

量子電腦專家班奈特說，量子電腦的基礎，恰恰就是這些怪異的觀念。因此，單是創造一個類似量子世界的環境，讓原子照常進行計算並提供答案，就足以讓科學家傷透腦筋。也許還要好幾十年，量子電腦才會出現在我們的書桌上。

其實科學家早已注意到，原子是個天然的計算機。它會旋轉，而且很有規律，方向不是朝上就是朝下，這正好與數字科技的「0」與「1」吻合。但原子有一個怪異的特性：一個原子，可以在同一時間向上並向下旋轉，直到你用電子顯微鏡或其他工具測量它，才會迫使它選擇一個固定方向。這既是原子的特異功能，也是量子電腦強大力量的來源。

既然原子可以同時向上並向下旋轉，它就不能被視為單一的「位元」。科學家稱之為「准位元」，就是出於這個原因。這意味著，如果把一群原子聚在一起，它們不會像今天的電腦那樣，按照程序進行線性運算，而是同時進行所有可能的運算。這種運算方式的直接好處是計算機的運算速度成指數地加快了。

只要40個原子一起計算，其性能就相當於今天的一部超級電腦。舉例來說，如果有一個包含全球電話號碼的資料庫，要從中尋找一個我們需要的特定號碼，現在速度最快的超級電腦，大約要花一個月的時間才能完成任務，而一台量子電腦只需27分鍾。

但是，答案那麼多，速度那麼快，我們怎麼取回想要的計算結果呢?前面說過，對原子進行測量可以迫使它選擇旋轉方向，因此科學家只要測量這些「准位元」，就可以逼迫它們說出答案。

最近，麻省理工學院與mM公司的科學家，終於通過特定方式，做出了原始的量子電腦。雖然它看上去和一個烤麵包機沒有多大差別，但功能卻比烤麵包機高明多了。這個實驗性質的量子電腦，具有兩個「准位元」的計算能力。也就是說，它的威力等於兩個原子同時進行運算。目前，科學家們正在朝三個「准位元」的目標努力。

㈤ 科研中量子場論的計算都使用哪來的程序

生成費曼圖：FeynArt或者Qgraf

單圈計算振幅以及張量約化：FeynCalc或者FormCalc

用符號計算系統自己計算振幅：FORM和mathematica

雙圈圖以上的約化：Reze和FIRE

相空間積分：用cuba的蒙卡包（我沒用過）

生成費曼規則：FeynRules

自動化樹圖截面：CalcHep

自動化生成樹圖或者單圈QCD最終截面：MadGraph，還有一堆類似的我沒用過的。另外MadGraph還整合了做Parton Shower和對撞機模擬的包。可以直接得到特定標准模型的散射截面的程序包：MCFM，（還有一堆類似的）畫圖以及一些統計分析：ROOT管理PDF（部分子分布函數，QCD要用）：LHAPDF

最簡單的方法：首先用FeynRules生成費曼規則，然後再導入CalcHep或者MadGrap，給定具體過程和一些Cut，直接一步步按回車就能得到樹圖結果。時間上，熟練的話大概就需要一兩個小時，如果從頭開始學的話大概要三五天吧。比較麻煩的方法：用FeynRules生成費曼規則，再用FeynArt生成費曼圖，用FeynCalc把振幅化簡好，然後再自己寫蒙卡程序作相空間積分。好處是可以算到一圈，雖說新物理的圈圖一般不算。熟練的話，把自己之前的程序包改一改就能比較快的搞定，從頭開始學可能要搞半個月。最麻煩的方法：用FeynRules生成費曼規則，FeynArt生成費曼圖，用Form或者Mathematica手動化簡振幅，用REDUZE或者FIRE約化積分，並想辦法計算主積分，然後再自己寫相空間積分的蒙卡程序。好處是可以算到兩圈，雖說新物理沒意義了，標准模型的兩圈基本上是需要以這樣的方法計算的。我已經搞了半年多了，還沒出最後結果。

㈥ 量子計算機會怎樣改變世界對量子計算機你都有哪些了解

引言：在第一台計算機發明出來之後，計算機的體型就變得越來越小，遇上的速度也越來越高，所以說人們日常生活中也會利用計算機來處理一些比較復雜的事物。而量子計算機的推出也讓計算機跨越了一個新的台階，量子計算機會怎樣改變世界呢？

㈦ 量子計算機如果普及了，傳統編程語言會不會被淘汰

一、量子計算機和量子

所謂量子計算機，是根據量子理論，以及量子系統所構成的計算機系統，來模擬量子現象，從而使得運算的速度和任務大幅提升。通俗來說，就是讓計算機實現量子計算。由於量子力學推論的玄乎，使得其無法被生活在宏觀世界的普通人所接受。但隨著人們對量子物理學的深入，使得其成為量子計算機真的被造出來了。到了2009年11月15日，全球第一台可以進行編程的通用量子計算機，正式在美國被發明出來。

三、簡單的未必會被淘汰

按照上文的說法，普通計算機應該是會被淘汰的。但其實，未必。作為一種技術工具，甚至是一切事物，如果已經存在了很長時間，往往還會繼續存在很長時間。這是塔勒布在《反脆弱》一書中指出的。筆和紙很早就被發明出來了，但在電腦和智能手機普及的今天，我們今天還在使用它們。盡管製造筆和紙的工藝，不斷變化；盡管各種寫字的技能，被賦予不同的含義（速寫、書法等），但世界依然有用筆在紙上寫字的行為。

㈧ 最大的量子計算機在中國嗎

中國科學技術大學潘建偉院士團隊近日成功研製出全球超導量子比特數量最多的量子計算原型機「祖沖之號」，宣告全球最大量子比特數的超導量子體系的誕生。

量子計算機是全球科技前沿的重大挑戰之一，也是世界各國角逐的焦點。超導量子計算已成為最具希望的候選者之一，它的核心目標是增加「可操縱」的量子比特數量，通過提升操縱精度來實現落地應用。
祖沖之號」可操縱的超導量子比特多達62個，而此前谷歌實現「量子優越」的「懸鈴木」53個量子比特。研究團隊在大尺度晶格上首次實現了量子行走的實驗觀測，並實現對量子行走構型的精準調控，構建了可編程的雙粒子量子行走。