量子計算的基礎知識和基本原理

關于量子計算的二三事

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什麼叫量子計算

量子計算是一種遵循量子力學規律調控量子資訊單元進行計算的新型計算模式。

量子疊加态

在了解量子計算的概念時，通常把它和經典計算機相比較。

經典計算使用二進制的數字電子方式進行運算，而二進制總是處于0和1的确定狀态。量子計算和現有的計算模式完全不同，它借助量子力學的疊加特征，能夠實作計算狀态的疊加，它不僅包含0和1，還包含0和1同時存在的疊加态(superposition)。

從可計算的問題來看，量子計算機隻能解決傳統計算機所能解決的問題，但是從計算的效率上，由于量子力學疊加性的存在，某些已知的量子算法在處理問題時速度要快于傳統的通用計算機。

• 量子系統中的疊加：

在經典計算機中，資訊被編碼為位鍊（bit），1 bit 資訊就是兩種可能情況中的一種：0或1，假或真，對或錯。例如，電容器的闆極間的電壓可以代表1 bit 資訊：帶電的電容表示1，而放電的電容表示0。

不同于經典計算模式，在量子世界中，微觀粒子的狀态是不可确定的，系統以不同的機率處于不同狀态的疊加之中。

量子比特

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位量子比特寄存器可同時存儲這四種狀态的疊加狀态。

随着量子比特數目的遞增，對于n個量子比特而言，量子資訊可以處在2種可能狀态的疊加，配合量子力學演化的并行性，可以展現比傳統計算機更快的處理速度；加上量子糾纏等特性，理論上，量子計算機相較于目前使用最強算法的經典計算機，在一些問題上，有更快的處理速度和更強的處理能力。

量子力學第二假設（波函數ψ滿足薛定谔方程）在資訊學中的應用，直接的效果首先就是量子比特概念的出現。

在經典的世界裡，一個比特(bit)簡單地說就是可以用一位二進制數表示的資訊。是以它隻有兩個取值，可以記為“0”或“1”。經典比特的一個最淺顯特征就是0和1這兩種狀态是正交的，即0就是0,1，是1，寫在紙上（或記錄咋在其它“經典”材料上）的0不可能被看做是1, 1也不可能被看做是0。

然而在量子的層面，量子力學第二假設中的薛定谔方程式線性的，導緻了态疊加原理的出現。

是以如果用ψ0表示與經典的0相對應的量子系統的狀态，ψ1表示與1相對應的量子狀态，那麼它們的任意線性疊加ψ=αψ0+βψ1仍然是實體上允許存在的解，隻要疊加系數α和β滿足歸一化條件 | α |2+| β |2 = 1。也就是說，一個量子比特原則上可以有無窮個允許取值。

是以，與以經典比特為處理機關的經典計算機不同，量子計算機如果以量子比特為處理機關，那麼一個存儲單元就可以存儲無窮多個值。這是導緻量子計算機超越經典計算機的一個首要條件。

為什麼我們需要量子計算

1. 大資料檢索

   在目前的大資料和人工智能時代，量子計算可以解決海量的資料檢索問題，以及物流優化問題，實作成本節省和減少碳排放等。在海量資訊充斥和龐雜的時代，強大的資料分析和梳理工具無疑對人們的生活和工作有着很大幫助。

2. 量子模拟

   在量子模拟方面，特别是生化制藥中，量子模拟有望利用相應的量子算法在更長的時間範圍内準确地進行分子模拟，進而實作目前技術水準無法做到的精确模組化。

3. 金融服務

   量子計算可以解決複雜的優化問題，如投資組合風險和欺詐檢測。

4. 人工智能

   在人工智能方面，量子計算能有效提高機器學習的深度和速度，突破人工智能發展的瓶頸。量子機器學習可以幫助人工智能以類似人類的方式，更有效地執行複雜的任務。在量子計算機上訓練人工智能可以提高計算機視覺識别、模式識别、語音識别等性能。

5. 現代農業

   在改進制造或替代氨的工藝方面進展甚微，在1900年代，有一種被稱為Haber-Bosch process（哈柏法）的工業技術，通過氮氣及氫氣産生氨氣（NH3），但它需要極高的熱量和壓力将氮氣、氫氣和鐵轉化成氨。如果用今天的超級計算機進行數字測試，找出合适的催化劑組合來制造氨，那麼則需要幾個世紀的時間；但是，量子計算機能夠快速分析化學催化過程，并提出最佳的催化劑組合來産生氨。

6. 雲計算

   量子雲計算正在成為富有前景的領域。量子雲平台可以簡化程式設計，并提供對量子計算機的低成本通路。

7. 網絡安全

   量子計算機可以用來破解保護敏感資料和電子通信安全的密碼，同時，量子計算機也可以用來保護資料免受量子黑客攻擊，這需要一種被稱為量子加密的技術。量子加密是一種将糾纏光子通過量子密鑰配置設定進行遠距離傳輸的想法，目的是保護敏感的通信。最重要的一點是，如果量子加密通信被人截獲，加密方案立即顯示中斷迹象，并顯示通信不安全。這依賴于測量量子系統的行為會破壞系統的原理，被稱為“測量效應”。

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參考文獻：

郭國平、陳昭昀、郭光燦著. 《量子計算與程式設計入門》. 科學出版社

何廣平著. 《通俗量子資訊學》. 科學出版社

焦李成、李陽陽、馬文萍、劉芳、尚榮華著. 《量子計算、優化與學習》. 科學出版社

• 學習資料：
• 量子計算講解視訊
• 簡述量子計算漫畫
• YouTube視訊1
• YouTube視訊2
• YouTube視訊3 （講解superposition）
• YouTube視訊4 （講解量子superposition和量子糾纏entanglement）

• 量子計算雲平台

  *以上學習資料轉載自：https://blog.csdn.net/m0_37622530/article/details/83886598