量子計算機與量子演算法

⑴ 量子計算機工作原理

量子計算機的工作原理：

量子計算機是一種基於量子理論而工作的計算機。追根溯源，是對可逆機的不斷探索促進了量子計算機的發展。量子計算機裝置遵循量子計算的基本理論，處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法。1981年，美國阿拉貢國家實驗室的Paul Benioff最早提出了量子計算的基本理論。

1、量子比特

經典計算機信息的基本單元是比特，比特是一種有兩個狀態的物理系統，用0與1表示。在量子計算機中，基本信息單位是量子比特（qubit），用兩個量子態│0>和│1>代替經典比特狀態0和1。量子比特相較於比特來說，有著獨一無二的存在特點，它以兩個邏輯態的疊加態的形式存在，這表示的是兩個狀態是0和1的相應量子態疊加。

2、態疊加原理

現代量子計算機模型的核心技術便是態疊加原理，屬於量子力學的一個基本原理。一個體系中，每一種可能的運動方式就被稱作態。在微觀體系中，量子的運動狀態無法確定，呈現統計性，與宏觀體系確定的運動狀態相反。量子態就是微觀體系的態。

3、量子糾纏

量子糾纏：當兩個粒子互相糾纏時，一個粒子的行為會影響另一個粒子的狀態，此現象與距離無關，理論上即使相隔足夠遠，量子糾纏現象依舊能被檢測到。因此，當兩粒子中的一個粒子狀態發生變化，即此粒子被操作時，另一個粒子的狀態也會相應的隨之改變。

4、量子並行原理

量子並行計算是量子計算機能夠超越經典計算機的最引人注目的先進技術。量子計算機以指數形式儲存數字，通過將量子位增至300個量子位就能儲存比宇宙中所有原子還多的數字，並能同時進行運算。函數計算不通過經典循環方法，可直接通過幺正變換得到，大大縮短工作損耗能量，真正實現可逆計算。

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量子計算機的難點：

1、量子消相干

量子計算的相乾性是量子並行運算的精髓，但在實際情況下，量子比特會受到外界環境的作用與影響，從而產生量子糾纏。量子相乾性極易受到量子糾纏的干擾，導致量子相乾性降低，也就是所謂的消相干現象。實際的應用中，無法避免量子比特與外界的接觸，量子的相乾性也就不易得到保持。所以，量子消相干問題是目前需要解決的重要問題之一，它的解決將在一定程度上影響著量子計算機未來的發展道路。

2、量子糾纏

量子作為最小的顆粒，遵守量子糾纏規律。即使在空間上，量子之間可能是分開的，但是量子間的相互影響是無法避免的。介於此，量子糾纏技術被聯想到量子信息的傳遞領域。在一定意義上，利用量子之間飛快的交流速度從而實現信息的傳遞。

3、量子並行計算

量子計算機獨特的並行計算是經典計算機無法比擬的重要的一點。同樣是一個n位的存儲器，經典計算機存儲的結果只有一個。但是量子計算機存儲的結果可達2n。其並行計算不僅在存儲容量上遠超越了後者，而且讀取速度快，多個讀取和計算可同時進行。正是量子並行計算的重要性，它的有效應用也成為了量子計算機發展的關鍵之一。

4、量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子態不存在復制的過程，既然要保持量子態不變，則不存在量子的測量，也就無法實現復制。對於量子計算機來說，無法實現經典計算機的糾錯應用以及復制功能。

⑵ 量子計算機有望突破，新理論提示開發量子演算法更有效方法

文：Kayla Wiles 編譯：peng

在2019年，谷歌聲稱它是第一個展示量子計算機來執行超越當今最強大的超級計算機能力的計算。

普渡大學的科學家們說，但是大多數時候，創造一種可以擊敗傳統計算機的量子演算法是一個偶然的過程。為了給該過程帶來更多指導並減少其隨意性，這些科學家開發了一種新理論，該理論可能最終導致對量子演算法進行更系統的設計。

發表在《 高級量子技術 》雜志上的一篇論文中描述的新理論是確定可以用可接受數量的量子門來創建和處理哪些量子態以勝過普通演算法的首次已知嘗試。

物理學家將這種具有正確門數以控制每個狀態的門稱為「復雜性」。由於量子演算法的復雜性與演算法中涉及的量子態的復雜性密切相關，因此該理論可以通過表徵哪些量子態滿足該復雜性標准，從而為尋找量子演算法打下基礎。

演算法是執行計算的一系列步驟。該演算法通常在電路上實現。

在普通計算機中，電路具有將位切換到0或1狀態的門。相反，量子計算機依賴於稱為「量子位」的計算單元，該計算單元可以同時疊加存儲0和1狀態，從而可以處理更多信息。

使量子計算機比普通計算機快的是更簡單的信息處理，其特徵在於與普通電路相比，量子電路中量子門的數量大大減少。

「例如，即使一個小的蛋白質分子也可能包含數百個電子。如果每個電子只能採取兩種形式，則要模擬300個電子，將需要2300個普通狀態，這比宇宙中所有原子的數量還多。」普渡大學化學系教授，普渡量子科學與工程學院成員Saber Kais說。

對於量子計算機，有一種方法可以使量子門按問題的大小（如上一個示例中的電子數）「多項式地」按比例放大，而不僅僅是像普通計算機那樣按指數比例放大。「多項式」意味著處理相同數量的信息所需的步驟（門）將大大減少，從而使量子演算法優於普通演算法。

到目前為止，研究人員還沒有好的方法來確定哪些量子態可以帆則滿足多項式復雜性的條件。

「有一個尋找狀態和順序非常大的搜索空間門匹配，在復雜創建能夠執行計算比普通演算法快的一個有用的量子演算法，」凱斯他的研究小組正在開發的量子演算法和量子說機器學習方法。

普渡大學的博士後研究員Kais和Zixuan Hu使用新理論來識別一大批具有多項式復雜性的量子態。他們還表明，這些狀態可能共享一個系數特徵，可以在設計量子演算法時更好地識別它們。

考慮到任何量子態，態態棚我們現在能夠設計一種有效的系數采樣程序來確定它是否屬閉告於該類。

⑶ 量子計算機是否需要演算法

1）首先從量子演算法理論來看。量子計算機需要特定的量子演算法才能發揮出量子計算的強大威力。但是，並不是所有的計算都可以用量子演算法加速。雖然量子演算法絕不會比傳統演算法慢，但能像Shor演算法和Grover演算法那般完全超越傳統演算法的其實比較少見。不少問題上我們暫時都還沒有得到很好的量子演算法。
（不過，人工智慧/機器學習里很核心的優化（optimization）過程卻很幸運地與量子計算是天作之合。這個之後再說。）

2）再從實踐來看。Dwave這家量子計算機公司開發了世界第一款商業量子計算機。但實際上，這款量子計算機不是通用量子計算機，並不能運行所有的量子演算法。Dwave實際上是一凳游台量子退火機（quantum annealing machine）。它的主要工作方式是調整伊棗局銷辛模型的參數來構造滿足某優化問題所對應的量子態，再用量子退火演算法來求解。（Google願意花1000萬美金買一台Dwave，再建立Quantum AI Lab就是看中了Dwave在人工智慧上的強大功能。目前512qubit機所模擬的最復雜的人工智慧問題都能在1s左右解決。）

通用量子計算機是一個超出目前科技水平太多的技術。臘源以至於大多數科學家更願意研究具有特定量子結構的量子計算機，用來執行特定的量子計算功能。比如說Google有一項量子計算需求，就為此配一台能專門完成這項量子計算的量子計算機就能運行的很好，搞不定的部分再交給電子計算機處理分工處理就行。
想一想量子退火機尚且要在20mk的溫度下才能運行。通用量子計算機得多麼復雜、精密且昂貴，而且至今沒有好的方案。量子點、核磁共振、量子光路、超導環等所有可能的途徑都有科學家在研究。

⑷ 什麼是量子計算機

分類: 電腦/網路
解析:

量子計算機是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

20世紀60年代至70年代，人們發現能耗會導致計算機中的晶元發熱，極大地影響了晶元的集成度，從而限制了計算機的運行速度。研究發現，能耗來源於計算過程中的不可逆操作。那麼，是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經典計算機都可以找到一種對應的可逆計算機，而且不影響運算能褲拍力。既然計算機中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那麼在量子力學中，它就可以用一個么正變換來表示。早期量子計算機，實際上是用量子力學語言描述的經典計算機，並沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相乾性。在經典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處於各種正交態的疊加態上，而且還可以處於糾纏態上。這些特殊的量子態，不僅提供了量子並行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典計算機不同，量子計算機可以做任意的么正變換，在得到輸出態後，進行測量得出計算結果。因此，量子計算對經典計算作了極大的擴充，在數學形式上，經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，並按一定的概率幅疊加起來，給出結果，這種計算稱作量子並行計算。除了進行並行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統，這項工作是經典計算機無法勝任的。

無論是量子並行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相乾性。遺憾的是，在實際系統中量子相乾性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相乾性的衰減，即消相干。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發現的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優點為適用范圍廣，缺點是效率不高。

迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是型森，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算，方案並不少，問題是在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了。目前已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。現在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場，最後脫穎而出的是一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對於電子計算機一樣胡租羨。研究量子計算機的目的不是要用它來取代現有的計算機。量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機如光計算機和生物計算機等的不同之處。量子計算機的作用遠不止是解決一些經典計算機無法解決的問題。

⑸ 什麼是量子計算機

量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子爛芹信息，運行的是量子演算法時，它就是量子計算機。[1]
量子計鏈空算機的特點主要有運行速度較快、處置信息能力較強、應用范圍較廣等。與一般計算機比較起來,信息處理量愈多，對於量子計算機實施運算也就愈加有利,也就更能確保運算具備精準性。[2]
2021年2月8日，中科院量子信息重點實驗室的科技成果轉化平台合肥本源量子科技公司，發布具有自主知識產權的量子計算機操作系統「本源司南」。[3]
當地時間2022年6月飢喚畢9日，英國國防部宣布，獲得政府首台量子計算機。[19]
2022年8月25日，網路發布集量子硬體、量子軟體、量子應用於一體的產業級超導量子計算機「乾始」。[21]
中文名
量子計算機
外文名
quantum computer
規律
遵循量子力學規律
提出者
理查德·費曼
優勢
強大的信息處理能力