量子计算正在改变我们世界的未来吗?


量子计算考虑了利用量子力学现象(例如叠加)来对信息执行运算的假设计算系统(量子计算机)。量子计算机不同于基于晶体管的二进制数字计算机。

虽然传统的数字计算要求将信息编码为二进制数字(比特),其中每个比特都可靠地处于两种不同的状态之一(0 或 1),但量子计算使用量子比特,量子比特可以处于状态的叠加中。量子图灵机是这种计算机的理论模型,也称为通用量子计算机。

它们是什么?

  • 截至 2017 年,实际量子计算机的开发仍处于早期阶段,但已经进行了一些研究,其中在少数量子比特上执行了量子计算操作。

  • 实用和理论研究都在继续,许多国家政府和军事机构正在资助量子计算研究,以期开发用于民用、商业、贸易、环境和国家安全目的(例如密码分析)的量子计算机。

  • 大规模量子计算机理论上能够比任何使用目前已知最佳算法的传统计算机更快地解决某些问题,例如使用 Shor 算法进行的数字因式分解或量子多体系统的模拟。

  • 存在一些量子算法(例如 Simon 算法),其运行速度比任何可能的概率传统算法都快。传统计算机原则上(使用指数级资源)可以重现量子计算,因为量子计算没有违反邱奇-图灵论题。另一方面,量子计算机可能能够有效地解决传统计算机无法实际解决的问题。

  • 传统计算机具有由比特组成的内存,其中每个比特表示为 1 或 0。量子计算机维护一系列量子比特。单个量子比特可以表示 1、0 或这两种量子比特状态的任何量子叠加。

  • 几个量子比特可以处于 4 个状态的任何量子叠加中,三个量子比特可以处于 8 个状态的任何叠加中。一般来说,具有 n 个量子比特的量子计算机可以同时处于多达 2^{n} 个不同状态的叠加中。

它是如何工作的?

  • 量子计算机通过将量子比特设置为表示当前问题的完美叠加,并通过使用一系列固定的量子逻辑门来控制这些量子比特来工作。

  • 要应用的门序列称为量子算法。计算以测量结束,将量子比特的集合分解为 2^{n} 个完美状态之一,其中每个量子比特为零或一,分解为经典状态。

  • 因此,结果可以并且超过了大多数 n 个传统比特的数据。

  • 量子算法通常是概率性的。也就是说,它们仅以特定概率给出正确的结果。量子计算机的量子比特的使用示例可以从使用具有两种自旋状态(例如“下”和“上”)的粒子开始。

更新于: 2019 年 7 月 30 日

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