量子计算是什么

Fanly 问答 2022-05-31 23:48:46 阅读(...)

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

量子计算 Quantum computation

概念提出

量子计算(quantum computation) 的概念最早由阿岗国家实验室的 P. Benioff 于 80 年代初期提出,他提出二能阶的量子系统可以用来仿真数字计算;稍后费曼也对这个问题产生兴趣而着手研究,并在 1981 年于麻省理工学院举行的 First Conference on Physics of Computation 中给了一场演讲,勾勒出以量子现象实现计算的愿景。1985 年,牛津大学的 D. Deutsch 提出量子图灵机(quantum Turing machine)的概念,量子计算才开始具备了数学的基本型式。然而上述的量子计算研究多半局限于探讨计算的物理本质,还停留在相当抽象的层次,尚未进一步跨入发展算法的阶段。

发展前景

量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机,但仍然存在很多障碍。大规模量子计算所存在重要的问题是,如何长时间地保持足够多的量子比特的量子相干性,同时又能够在这个时间段之内做出足够多的具有超高精度的量子逻辑操作。

基本原理

量子力学态叠加原理使得量子信息单元的状态可以处于多种可能性的叠加状态,从而导致量子信息处理从效率上相比于经典信息处理具有更大潜力。普通计算机中的 2 位寄存器在某一时间仅能存储 4 个二进制数(00、01、10、11)中的一个,而量子计算机中的 2 位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的增加,对于 n 个量子比特而言,量子信息可以处于 2 种可能状态的叠加,配合量子力学演化的并行性,可以展现比传统计算机更快的处理速度。

量子位

量子位(qubit)是量子计算的理论基石。在常规计算机中,信息单元用二进制的 1 个位来表示,它不是处于“ 0” 态就是处于“ 1” 态. 在二进制量子计算机中,信息单元称为量子位,它除了处于“ 0” 态或“ 1” 态外,还可处于叠加态(superposed state)。

叠加态是“ 0” 态和“ 1” 态的任意线性叠加,它既可以是“ 0” 态又可以是“ 1” 态,“ 0” 态和“ 1” 态各以一定的概率同时存在. 通过测量或与其它物体发生相互作用而呈现出“ 0” 态或 “ 1” 态.任何两态的量子系统都可用来实现量子位,例如氢原子中的电子的基态(ground state)和第 1 激发态(first excited state)、 质子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圆偏振光的左旋和右旋等。

一个量子系统包含若干粒子,这些粒子按照量子力学的规律运动,称此系统处于态空间的某种量子态。这里所说的态空间是指由多个本征态(eigenstate) (即基本的量子态)所张成的矢量空间,基本量子态简称基本态(basic state)或基矢(basic vector) . 态空间可用 Hilbert 空间(线性复向量空间)来表述,即 Hilbert 空间可以表述量子系统的各种可能的量子态.为了便于表示和运算,Dirac 提出用符号|x〉 来表示量子态,|x〉 是一个列向量,称为 ket ;它的共轭转置(conjugate t ranspose) 用〈x|表示,〈x|是一个行向量,称为 bra.一个量子位的叠加态可用二维 Hilbert 空间(即二维复向量空间)的单位向量来描述。

叠加原理

把量子考虑成磁场中的电子。电子的旋转可能与磁场一致,称为上旋转状态,或者与磁场相反,称为下旋状态。如果我们能在消除外界影响的前提下,用一份能量脉冲能将下自旋态翻转为上自旋态;那么,我们用一半的能量脉冲,将会把下自旋状态制备到一种下自旋与上自旋叠加的状态上(处在每种状态上的几率为二分之一)。对于 n 个量子比特而言,它可以承载 2 的 n 次方个状态的叠加状态。而量子计算机的操作过程被称为幺正演化,幺正演化将保证每种可能的状态都以并行的方式演化。这意味着量子计算机如果有 500 个量子比特,则量子计算的每一步会对 2500 种可能性同时做出了操作。2500 是一个可怕的数,它比地球上已知的原子数还要多(这是真正的并行处理,当今的经典计算机,所谓的并行处理器仍然是一次只做一件事情)。

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