量子計算，量子計算原理

      相對于今天廣泛使用的計算機(我們稱為經(jīng)典計算機)，量子計算機以一種完全不同的方式進行計算，這給計算技術(shù)帶來了全新的可能。創(chuàng)建于20世紀初的量子力學(xué)理論，經(jīng)過大量物理實驗的驗證，已成為半導(dǎo)體及現(xiàn)代化學(xué)的理論基礎(chǔ)，也與云計算密切相關(guān)。接下來就由小編為您介紹量子計算，量子計算原理。

量子計算

一、什么是量子計算

量子計算是量子系統(tǒng)的計算方式。量子系統(tǒng)的狀態(tài)需要用波函數(shù)來描述，存在非黑即白的狀態(tài)，這就是所謂的量子疊加態(tài)。與此同時，量子力學(xué)預(yù)言了波函數(shù)的相干和糾纏等經(jīng)典物理學(xué)理論中沒有的現(xiàn)象。盡管這些現(xiàn)象在日常生活中是很難直接觀察的，但它們都可以在實驗室里觀察到。量子力學(xué)的“量子”是指在計算中利用量子相干、糾纏等效應(yīng)，從而能夠在比經(jīng)典計算機更短的時間內(nèi)完成某些特定的計算。那就是我們要開發(fā)量子電腦的主要原因。此外，量子計算技術(shù)也促進了基礎(chǔ)研究和其他量子技術(shù)的發(fā)展，如量子通信和量子傳感。

盡管量子計算機技術(shù)經(jīng)歷了近幾年的快速發(fā)展，但相對于成熟的經(jīng)典計算機技術(shù)，仍然處于起步階段。上世紀80年代，人們提出了量子計算機的概念，此后在相當(dāng)長的時間內(nèi)屬于基礎(chǔ)研究范疇。當(dāng)前，量子計算已從基礎(chǔ)研究發(fā)展到工程實施與應(yīng)用研究。我們尚未發(fā)現(xiàn)任何基本問題會導(dǎo)致最終不能實現(xiàn)有應(yīng)用價值的量子計算機；同時，預(yù)測完成這一轉(zhuǎn)變將需要多長時間。

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二、量子計算的原理

就算法而言，量子計算機的運算能力比經(jīng)典計算機強得多。Feynman(R.Feynman)和馬寧(Y.Manin)在20世紀80年代早期提出了這一概念。從20世紀40年代開始，從對核武器的研究開始，數(shù)值計算在物理學(xué)和其它學(xué)科的研究中得到了廣泛的應(yīng)用。這些應(yīng)用中的一個重要應(yīng)用就是物理系統(tǒng)的數(shù)值模擬。自然的物理系統(tǒng)都是量子系統(tǒng)。但是，由于記錄和處理量子態(tài)需要大量的信息，所以用經(jīng)典計算機模擬多體系統(tǒng)是一件非常困難的事情。然而，量子計算機沒有這個問題。假如傳統(tǒng)的計算機不能精確模擬量子多體系統(tǒng)而又能做到，那么量子計算機就比經(jīng)典計算機強。

1985年，D.Deutsch發(fā)明了一種量子計算機(又稱量子圖靈機)模型。任何量子算法都可以用通用的量子計算機來實現(xiàn)。量子機是一種物理系統(tǒng)，它由許多量子位元(二態(tài))構(gòu)成。對于每一個量子位，|0>和|1>是分別對應(yīng)于二進制數(shù)字中0和1的完全可區(qū)分的量子態(tài)。一個量子位元和一個經(jīng)典位元的區(qū)別是，量子位元可以處于0和1的量子疊加態(tài)，用a|0>+b|1>表示，這里系數(shù)a和b描繪了量子位的特定狀態(tài)。量子力學(xué)有許多種方法，其中被廣泛應(yīng)用的模型是量子線，也就是說，量子運算通過在一個量子位上執(zhí)行一系列的邏輯運算來完成，如圖1所示。其中包括量子位元的初始化，量子態(tài)的幺正變換，量子位元信息的讀取等邏輯運算。量子力學(xué)中的量子計算機是按照量子力學(xué)法則操縱的物理系統(tǒng)。經(jīng)過量子力學(xué)操縱的這個物理系統(tǒng)，實際上和電子計算機一樣，也是操縱位。不過，量子電腦，操縱量子位元。也許有些朋友不熟悉電腦，不知道什么是位，更不用說量子位了。簡而言之，量子位就是信息的最小單位。是一個輸入，通過運算，可以得出結(jié)果的物理系統(tǒng)，這就是計算。

      如果我用電飯鍋做飯。將大米和水放入電飯鍋中，蓋上蓋子啟動，得到米飯。添加米和水是輸入，電飯鍋進行操作，香米飯就是結(jié)果。只完成輸入、操作和輸出的物理系統(tǒng)就是計算。此時，決定這種計算系統(tǒng)的能力，也就變成了由計算系統(tǒng)構(gòu)成的物理系統(tǒng)，以及我們對計算系統(tǒng)的控制程度。以上就是小編為您帶來的量子計算，量子計算原理。