量子计算机与量子算法

⑴ 量子计算机工作原理

量子计算机的工作原理：

量子计算机是一种基于量子理论而工作的计算机。追根溯源，是对可逆机的不断探索促进了量子计算机的发展。量子计算机装置遵循量子计算的基本理论，处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法。1981年，美国阿拉贡国家实验室的Paul Benioff最早提出了量子计算的基本理论。

1、量子比特

经典计算机信息的基本单元是比特，比特是一种有两个状态的物理系统，用0与1表示。在量子计算机中，基本信息单位是量子比特（qubit），用两个量子态│0>和│1>代替经典比特状态0和1。量子比特相较于比特来说，有着独一无二的存在特点，它以两个逻辑态的叠加态的形式存在，这表示的是两个状态是0和1的相应量子态叠加。

2、态叠加原理

现代量子计算机模型的核心技术便是态叠加原理，属于量子力学的一个基本原理。一个体系中，每一种可能的运动方式就被称作态。在微观体系中，量子的运动状态无法确定，呈现统计性，与宏观体系确定的运动状态相反。量子态就是微观体系的态。

3、量子纠缠

量子纠缠：当两个粒子互相纠缠时，一个粒子的行为会影响另一个粒子的状态，此现象与距离无关，理论上即使相隔足够远，量子纠缠现象依旧能被检测到。因此，当两粒子中的一个粒子状态发生变化，即此粒子被操作时，另一个粒子的状态也会相应的随之改变。

4、量子并行原理

量子并行计算是量子计算机能够超越经典计算机的最引人注目的先进技术。量子计算机以指数形式储存数字，通过将量子位增至300个量子位就能储存比宇宙中所有原子还多的数字，并能同时进行运算。函数计算不通过经典循环方法，可直接通过幺正变换得到，大大缩短工作损耗能量，真正实现可逆计算。

(1)量子计算机与量子算法扩展阅读：

量子计算机的难点：

1、量子消相干

量子计算的相干性是量子并行运算的精髓，但在实际情况下，量子比特会受到外界环境的作用与影响，从而产生量子纠缠。量子相干性极易受到量子纠缠的干扰，导致量子相干性降低，也就是所谓的消相干现象。实际的应用中，无法避免量子比特与外界的接触，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干问题是目前需要解决的重要问题之一，它的解决将在一定程度上影响着量子计算机未来的发展道路。

2、量子纠缠

量子作为最小的颗粒，遵守量子纠缠规律。即使在空间上，量子之间可能是分开的，但是量子间的相互影响是无法避免的。介于此，量子纠缠技术被联想到量子信息的传递领域。在一定意义上，利用量子之间飞快的交流速度从而实现信息的传递。

3、量子并行计算

量子计算机独特的并行计算是经典计算机无法比拟的重要的一点。同样是一个n位的存储器，经典计算机存储的结果只有一个。但是量子计算机存储的结果可达2n。其并行计算不仅在存储容量上远超越了后者，而且读取速度快，多个读取和计算可同时进行。正是量子并行计算的重要性，它的有效应用也成为了量子计算机发展的关键之一。

4、量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子态不存在复制的过程，既然要保持量子态不变，则不存在量子的测量，也就无法实现复制。对于量子计算机来说，无法实现经典计算机的纠错应用以及复制功能。

⑵ 量子计算机有望突破，新理论提示开发量子算法更有效方法

文：Kayla Wiles 编译：peng

在2019年，谷歌声称它是第一个展示量子计算机来执行超越当今最强大的超级计算机能力的计算。

普渡大学的科学家们说，但是大多数时候，创造一种可以击败传统计算机的量子算法是一个偶然的过程。为了给该过程带来更多指导并减少其随意性，这些科学家开发了一种新理论，该理论可能最终导致对量子算法进行更系统的设计。

发表在《 高级量子技术 》杂志上的一篇论文中描述的新理论是确定可以用可接受数量的量子门来创建和处理哪些量子态以胜过普通算法的首次已知尝试。

物理学家将这种具有正确门数以控制每个状态的门称为“复杂性”。由于量子算法的复杂性与算法中涉及的量子态的复杂性密切相关，因此该理论可以通过表征哪些量子态满足该复杂性标准，从而为寻找量子算法打下基础。

算法是执行计算的一系列步骤。该算法通常在电路上实现。

在普通计算机中，电路具有将位切换到0或1状态的门。相反，量子计算机依赖于称为“量子位”的计算单元，该计算单元可以同时叠加存储0和1状态，从而可以处理更多信息。

使量子计算机比普通计算机快的是更简单的信息处理，其特征在于与普通电路相比，量子电路中量子门的数量大大减少。

“例如，即使一个小的蛋白质分子也可能包含数百个电子。如果每个电子只能采取两种形式，则要模拟300个电子，将需要2300个普通状态，这比宇宙中所有原子的数量还多。”普渡大学化学系教授，普渡量子科学与工程学院成员Saber Kais说。

对于量子计算机，有一种方法可以使量子门按问题的大小（如上一个示例中的电子数）“多项式地”按比例放大，而不仅仅是像普通计算机那样按指数比例放大。“多项式”意味着处理相同数量的信息所需的步骤（门）将大大减少，从而使量子算法优于普通算法。

到目前为止，研究人员还没有好的方法来确定哪些量子态可以帆则满足多项式复杂性的条件。

“有一个寻找状态和顺序非常大的搜索空间门匹配，在复杂创建能够执行计算比普通算法快的一个有用的量子算法，”凯斯他的研究小组正在开发的量子算法和量子说机器学习方法。

普渡大学的博士后研究员Kais和Zixuan Hu使用新理论来识别一大批具有多项式复杂性的量子态。他们还表明，这些状态可能共享一个系数特征，可以在设计量子算法时更好地识别它们。

考虑到任何量子态，态态棚我们现在能够设计一种有效的系数采样程序来确定它是否属闭告于该类。

⑶ 量子计算机是否需要算法

1）首先从量子算法理论来看。量子计算机需要特定的量子算法才能发挥出量子计算的强大威力。但是，并不是所有的计算都可以用量子算法加速。虽然量子算法绝不会比传统算法慢，但能像Shor算法和Grover算法那般完全超越传统算法的其实比较少见。不少问题上我们暂时都还没有得到很好的量子算法。
（不过，人工智能/机器学习里很核心的优化（optimization）过程却很幸运地与量子计算是天作之合。这个之后再说。）

2）再从实践来看。Dwave这家量子计算机公司开发了世界第一款商业量子计算机。但实际上，这款量子计算机不是通用量子计算机，并不能运行所有的量子算法。Dwave实际上是一凳游台量子退火机（quantum annealing machine）。它的主要工作方式是调整伊枣局销辛模型的参数来构造满足某优化问题所对应的量子态，再用量子退火算法来求解。（Google愿意花1000万美金买一台Dwave，再建立Quantum AI Lab就是看中了Dwave在人工智能上的强大功能。目前512qubit机所模拟的最复杂的人工智能问题都能在1s左右解决。）

通用量子计算机是一个超出目前科技水平太多的技术。腊源以至于大多数科学家更愿意研究具有特定量子结构的量子计算机，用来执行特定的量子计算功能。比如说Google有一项量子计算需求，就为此配一台能专门完成这项量子计算的量子计算机就能运行的很好，搞不定的部分再交给电子计算机处理分工处理就行。
想一想量子退火机尚且要在20mk的温度下才能运行。通用量子计算机得多么复杂、精密且昂贵，而且至今没有好的方案。量子点、核磁共振、量子光路、超导环等所有可能的途径都有科学家在研究。

⑷ 什么是量子计算机

分类: 电脑/网络
解析:

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能裤拍力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个么正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的么正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。

迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是型森，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样胡租羡。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。

⑸ 什么是量子计算机

量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子烂芹信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。[1]
量子计链空算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来,信息处理量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利,也就更能确保运算具备精准性。[2]
2021年2月8日，中科院量子信息重点实验室的科技成果转化平台合肥本源量子科技公司，发布具有自主知识产权的量子计算机操作系统“本源司南”。[3]
当地时间2022年6月饥唤毕9日，英国国防部宣布，获得政府首台量子计算机。[19]
2022年8月25日，网络发布集量子硬件、量子软件、量子应用于一体的产业级超导量子计算机“乾始”。[21]
中文名
量子计算机
外文名
quantum computer
规律
遵循量子力学规律
提出者
理乍得·费曼
优势
强大的信息处理能力