量子計算是一場復雜的、有點神秘的技術革命,它有望從根本上改變信息的處理方式。與傳統(tǒng)計算機不同的是,傳統(tǒng)計算機是基于由比特操作的兩國數(shù)字邏輯(可以是0或1),量子計算機利用量子力學的特性,例如疊加和糾纏,以難以想象的速度并行進行計算。

導言

如今,即使使用最強大的計算機,有些問題也只能在令人望而生畏的時間內解決,例如建模氣候模型或分解一個大的半素數(shù)。變量的相對數(shù)量相當大,傳統(tǒng)系統(tǒng)需要數(shù)十億年才能找到相關的解決方案。

量子加工將使數(shù)學,醫(yī)學,?能量 由于處理速度巨大,有可能確定目前認為不可能的極其復雜的解決方案。如上所述,量子計算采用特殊的硬件和算法,利用量子力學來解決復雜的問題。

量子計算機與古典計算機和傳統(tǒng)計算機截然不同,其操作極其關鍵。對于某些類型的問題,即使是超級計算機也是不夠的,盡管由于使用了成千上萬的CPU和GPS,它們可以每秒解決數(shù)十億次的操作,但它們無法在"人的"可訪問的時間內解決大規(guī)模的計算。復雜問題的特點是存在若干變量,這些變量相互作用,標準多樣化,有時難以預測。通過量子計算可以相對簡單地解決的一些例子如下:

· 為了密碼學的目的,大數(shù)目和半素數(shù)的分解。有了量子計算機,RSA系統(tǒng)的有效性可能會受到質疑,但與此同時,可以找到新的、更安全的數(shù)據(jù)保護方法

· 復雜系統(tǒng)的模擬:量子計算機能夠非常精確地模擬復雜系統(tǒng),例如分子之間的相互作用,為任何部門發(fā)現(xiàn)新藥或新材料

· 尋找具有大量獨立變量的數(shù)學模型.一個典型的例子是氣象事件的處理,由于改進了與氣象有關的數(shù)學模型,這一領域正在不斷演變。?氣候 世界各地

· 優(yōu)化路由問題,包括找到在不同地點之間運送貨物或人員的最佳路線(最短、最快或最便宜),同時考慮到距離、旅行時間、交通、成本等方面的限制

· 大公司的資源管理和工作轉移意味著數(shù)以千計的條件和制約因素,用標準方法很難解決

· 財務業(yè)務的管理,需要極其深入和長期的分析,以優(yōu)化投資組合并制定新的交易戰(zhàn)略

· 量子算法大大加速了非結構化數(shù)據(jù)解的研究,比任何其他經(jīng)典算法都要少步驟地進行分析

· 物理問題的描述,例如那些與雙鐘擺有關的問題,目前沒有令人滿意的解決辦法,因為系統(tǒng)的特點是混沌運動,即。它的演化對最初的情況極其敏感

· 管理最快和最有效的機器學習算法,能夠處理大量數(shù)據(jù)和解決與人工智能有關的復雜問題。

量子計算機利用量子物理的行為,特別是疊加、糾纏和量子干涉等現(xiàn)象,并將其應用于計算。與傳統(tǒng)計算機相比,計算方法有很大的不同.這就好像一個電燈開關可以同時打開和關閉,而不是假設兩個不同的狀態(tài)。

蒙特卡羅方法

確定由許多變量組成的復雜問題的結果的方法之一是蠻力(參見圖1)。這種方法在經(jīng)典計算機中使用,包括系統(tǒng)地嘗試所有可能的解決方法,直到找到正確的方法。傳統(tǒng)的超級計算機可以用蠻力來解決高度復雜的問題,使用它的所有處理器來檢查和分析每一個組合,但是要達到這個結果需要大量的時間和工作記憶。

另一個可行的策略是蒙特卡羅方法,這是一種利用隨機抽樣獲得數(shù)學和統(tǒng)計問題的數(shù)值解的計算技術。它的實現(xiàn)允許用戶模擬大量可能的場景來估計一個概率結果。這些方法,特別是與更復雜的問題有關的方法,可能是緩慢和低效的,特別是對于那些涉及巨大解決空間的方法。相反,量子計算利用疊加原理,創(chuàng)建多維計算空間,允許量子比特同時表示無限態(tài)。這就使并行探索的解決方案數(shù)量成指數(shù)地增加,大大加速了尋找最佳解決方案的工作。

圖1:蠻力算法和蒙特卡洛

量子位、疊加和量子門

在經(jīng)典計算機中,所有的信息都被轉換成一系列比特(0和1);然而,量子計算機中有量子比特。量子比特是量子計算中的一個基本信息單位。量子位在經(jīng)典計算中扮演類似的角色,但它們的行為卻完全不同。經(jīng)典比特是二進制的,只能有0或1的狀態(tài),而量子比特可以進行所有可能的狀態(tài)的疊加。換句話說,它們可以處于0狀態(tài),1狀態(tài),或另一個稱為"疊加"的中間狀態(tài),其中量子比特以不同的百分比同時為0和1。當讀取量子比特時,它會從量子狀態(tài)崩潰,返回0或1。

在實質上,為了理解量子比特是如何工作的,你可以想到一個包含一個對象的封閉框,它最初可以呈現(xiàn)紅色或黃色(參見圖2中的示例)。當盒子

關閉時,物體可以使用一些量子屬性將其顏色變?yōu)槌壬?這是紅色和黃色之間的中間組合。這種狀態(tài)被稱為"疊加"。當盒子打開時,人們希望找到橙色物體,但不幸的是,它返回了原來的顏色之一,即。是紅色還是黃色。這將是一個相當大的問題,但有些"量子門"可以在疊加狀態(tài)下使用,使物體的狀態(tài)能夠在不破壞它們的情況下被讀取或修改。量子比特的一些最重要的特征如下:

· 疊加:有了這個特征,量子粒子是所有可能的狀態(tài)組合的結果.它們在被觀察和測量之前是完整的

· 糾纏:量子位形成一個單一的系統(tǒng)并相互影響。通過對一個量子位進行觀測,可以計算出其他量子位的條件。

量子有無限可能的狀態(tài)。它可以把任何百分比中的1和0的任何可能重疊作為它在測量時會導致1或0的概率。然而,當被測量時,一個量子可以得到一個或一個零的結果,就像一個經(jīng)典的比特。量子比特的力量可以在測量之前觀察到,也就是說。,在疊加相中,無限狀態(tài)組合可以發(fā)生。

多個量子位可以使用量子邏輯門(x,y,h等)組合起來。當測量量子位的最終值時,得到了概率值,因此,多次重復相同的算法總是很方便的,以獲得更可靠的結果,盡管處理時間比傳統(tǒng)的算法短。

圖2:比特和量子位之間的簡單比較

量子算法的例子

網(wǎng)站上有幾個量子算法模擬器,用戶可以通過實驗了解這項技術的工作原理。其中一些模擬器設計得簡單直觀,適合在這個領域邁出第一步的人,而另一些則提供高級功能,針對更有經(jīng)驗的用戶。

無論如何,用戶必須清楚地了解量子算法的精確概念,它與傳統(tǒng)理論大不相同。這些工具的可用性是廣泛的:許多是免費和開放的,而其他的則是付費的,并提供額外的功能或更全面的支持。其中一個是IBM提供的。這個例子很簡單,涉及兩個量子位的價值交換。

圖3顯示了IBM量子作曲模擬器的屏幕,這是一個圖形環(huán)境和文本環(huán)境。最初,兩個量子位Q[0]和Q[1]被設置為值0。然后,量子比特Q[0]被顛倒并設置為1。三個"CX"命令隨之而來,代表一個CNOT(控制-非)量子邏輯門)。它包含兩個參數(shù),通常是兩個量子位。Q比特0的值控制Q比特1的值。如果Q比特0是0,運算員就會保持魁位1不變,但是如果Q比特0是1,運算員就會顛倒魁位1的值。

這個推理對基本狀態(tài)0或1是有效的,而對疊加狀態(tài)來說,處理要復雜得多。模擬程序的源清單是用公開的2.0語言編寫的,建議如下:

OPENQASM 2.0;

包括"Qelb1.inc";

qreg q[2];

creg c[2];

reset q[0];

reset q[1];

x q[0];

cx q[0], q[1];

cx q[1], q[0];cx q[0], q[1];

簡而言之,下面是對各個命令的描述:

· 公開語言2.0:公開語言使用版本

· 包括"Qelb1.inc":這一行包括一個標準庫文件(Qelb1.inc),其中包含量子運算的定義

· Q[2]:這條線表示一個名為"Q"的量子寄存器,包含兩個量子位,Q[0]和Q[1]

· C[2]:這一行表示一個稱為"C"的經(jīng)典寄存器,它含有兩個經(jīng)典的C[0]和C[1]位。利用經(jīng)典寄存器存儲量子比特測量結果

· 重置Q[0]和重置Q[1]:這些行重置兩個量子位到|0&pt;狀態(tài)

· 這行應用門X(量子不)到第一個量子位Q[0].閘門X反轉量子比特狀態(tài),因此,如果量子比特在|0&pt;,它將被設置為|1&pt;

· CXQ[0],Q[1]:如上所述,這一行應用CNOT(控制-非)門,以Q[0]作為控制量,并以Q[1]作為目標量。CNOT閘門只有當Q[0]處于情勢時才會逆轉Q[1]的狀態(tài)

· CXQ[1],Q[0]:這行應用另一個CNOT門,但這次以Q[1]為控件,Q[0]為目標

·

· CXQ[0],Q[1]:最后,應用了第三個CNOT門,返回到原來的配置,以Q[0]為控件。

圖3:涉及兩個量子位之間價值交換的一個量子例子

結論

量子計算是一場真正的技術革命,能夠從根本上改變多個部門。量子計算肯定會讓科技向前邁進一大步。雖然這一學科仍處于早期階段,但潛力巨大,為解決迄今無法解決的復雜問題的創(chuàng)新辦法鋪平了道路。從科學發(fā)現(xiàn)到工業(yè)優(yōu)化,從醫(yī)學到金融,量子計算的影響將是深遠的,并將塑造技術和社會的未來。然而,第一批消費品的商業(yè)化時機尚未成熟,量子計算機要在幾十年之后才能進入我們的家園。