量子计算原理（量子计算原理知乎）

本篇文章给大家谈谈量子计算原理，以及量子计算原理知乎对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。

本文目录一览：

• 1、量子计算机为什么算得快呢？
• 2、量子计算机的原理是什么？
• 3、量子计算到底是什么呢？
• 4、量子计算机的原理
• 5、量子计算的基本原理
• 6、量子计算机原理

量子计算机为什么算得快呢？

量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。量子计算机的特点主要有运行速度较快、处置信息能力较强、应用范围较广等。与一般计算机比较起来,信息处理团举量愈多，对于量子计算机实施运算也就愈加有利,也就更能确保运算具备精准性。

量子计算机有着自己的基本单位——昆比特。昆比特又称量子比特，它通过量子的两态的量子力学体系来表示0或1。比如光子的两个正交的偏振方向，磁场中电子的自旋方向，或核自旋的两个方向，原子中量子处在的两个不同能级，或任何量子系统的空间模式等。量子计算的原理就是将量子力学系统中量子态进行演化结果。

量子晶体管就是通过电子高速运动来突破物理的能量界限，从而实现晶体管的开关作用，这种晶体管控制开关的速度很快，晶体管比起普通的芯片运算能力强很多，而且对使用的环境橘毕条件适应能力很强，所以在未来的发展中，晶体管是量子计算机不可缺少的一部分。

量子储存器是一种储存信息效率很高的储存器，它能够在非常短时间里对任何计算信息进行赋值，是量子计算机不可缺少的组成部分，也是量子计算机最重要的部分之一。量子计算机的效应器就是一个大型的控制系统，能够控制各部件的运行。这些组成在量子计算机的发展中占领着主要的地位，发挥着重要的运圆或芹用。

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量子计算机的原理是什么？

大约到2030年，每个人桌上的电脑主机不会再使用芯片与半导体，而是充满液体。而这正是新一代量子电脑的奇特造型。

也许你已经知道明亩袭，量子电脑应用的不再是现实耐察世界里的物理定律，而是玄妙的量子原理。它的运算速度可能比目前个人电脑的奔腾Ⅲ芯片快10亿倍激兄，可以在二瞬间搜寻整个国际网络，也可以轻易破解任何安全密码。而且，最重要的一点是，这一切绝非科幻小说。与传统电脑不同的是，量子电脑将以原子而非芯片进行运算。第一台量子电脑可能会是个粗糙、昂贵、只能用一次的科学实验品，但2001年以来的各种实验结果显示，这项科学理论的确管用。

美国麻省理工学院与英国牛津大学是量子电脑研究的先驱，IBM与惠普电脑公司也不落人后。对量子电脑的惊人性能感到担忧的美国政府，更是在洛斯阿拉莫斯国家实验室，不计成本地设立了量子电脑研究基地。

要让原子乖乖地为人类服务这个难题，无论是在理论上，坯是在实践上，都对科学家发出了严峻挑战。因为量子世界是个超乎常理的环境，我们可能永远也猜不出它的“谜底”。量子电脑也有很多匪夷所思的地方，它能够设想无限多个宇宙并列的场面，并由此“算出”可能出现的各种情况。而这意味着，不同的人在不同的时间，通过量子电脑计算得到的，很可能是不同的答案。

量子电脑专家班奈特说，量子电脑的基础，恰恰就是这些怪异的观念。因此，单是创造一个类似量子世界的环境，让原子照常进行计算并提供答案，就足以让科学家伤透脑筋。也许还要好几十年，量子电脑才会出现在我们的书桌上。

其实科学家早已注意到，原子是个天然的计算机。它会旋转，而且很有规律，方向不是朝上就是朝下，这正好与数字科技的“0”与“1”吻合。但原子有一个怪异的特性：一个原子，可以在同一时间向上并向下旋转，直到你用电子显微镜或其他工具测量它，才会迫使它选择一个固定方向。这既是原子的特异功能，也是量子电脑强大力量的来源。

既然原子可以同时向上并向下旋转，它就不能被视为单一的“位元”。科学家称之为“准位元”，就是出于这个原因。这意味着，如果把一群原子聚在一起，它们不会像今天的电脑那样，按照程序进行线性运算，而是同时进行所有可能的运算。这种运算方式的直接好处是计算机的运算速度成指数地加快了。

只要40个原子一起计算，其性能就相当于今天的一部超级电脑。举例来说，如果有一个包含全球电话号码的资料库，要从中寻找一个我们需要的特定号码，现在速度最快的超级电脑，大约要花一个月的时间才能完成任务，而一台量子电脑只需27分钟。

但是，答案那么多，速度那么快，我们怎么取回想要的计算结果呢?前面说过，对原子进行测量可以迫使它选择旋转方向，因此科学家只要测量这些“准位元”，就可以逼迫它们说出答案。

最近，麻省理工学院与mM公司的科学家，终于通过特定方式，做出了原始的量子电脑。虽然它看上去和一个烤面包机没有多大差别，但功能却比烤面包机高明多了。这个实验性质的量子电脑，具有两个“准位元”的计算能力。也就是说，它的威力等于两个原子同时进行运算。目前，科学家们正在朝三个“准位元”的目标努力。

量子计算到底是什么呢？

量子计算：突破传统计算瓶颈、拥有指数级计算能力。

突破传统计算瓶颈

计算机发展的瓶颈主要有两个。首先，随着晶体管体积不断缩小，计算机可容纳的元器件数量越来越多，产生的热量也随之增多。其次，随着元器件体积变小，电子会穿过元器件，发生量子隧穿效应，这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。

量子计算机的出现，巧妙地解决了计算机发展的瓶颈问题。丁洪说，从原理来看，量子计算机是可逆计算机，不会丢失信息。经典计算机则是不可逆计算机，不可逆计算过程中每个比特的操作都会有热损耗。

拥有指数级计算能力

中国科学院郭光灿院士曾这样解释量子计算机的计算能力。他说，量子比特可以制备两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。考虑一个N个物理比特的存储器，若它是经典存储器，则它只能存储2N个可能数据当中的某一个；若它是量子存储器，则它可同时存储2N个数据。而且随着散册N的增加，其存储信息的能力将慧神呈指数级上升。

量子计算不仅可应用于人工智能领域，提升机器学习效率，还能应对复杂情况，如实现天气的精准预测。生活中的诸多不便如交通拥堵，也能依靠其算法解决。

“（量子计算）发展非常迅速。”丁洪说，以前普遍认为量子计算机是三、五十年之后才能出现的。按照现在的发展速度，可能三五年后就会出现。/pp目前谷歌、微软、英特尔、IBM、阿里巴巴等国际巨头都积极参与到量子计算机的研究中。2017年12月13日前掘亏，IBM宣布将与三星、摩根大通和巴克莱银行等12家主要公司合作，共同开发商用量子计算。

量子计算机的原理

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。

常识告诉我们：原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。

想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。

从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算，普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算弯答猛（如果集合中只有一个元素，量子计算与经典计算没有区别）。

以函数y=f(x)，x∈A为例。量子计算的输入参数是定义域A，一步到位得到输出值域B，即B=f(A)；经典计算的输入参数是x，得到输出值y，要多次计算才能得到值域B，即y=f(x)，x∈A，y∈B。

量子计算机有一个待解决的问题，即输出值域B只能随机取出一个有效值y。虽然通过将不希望的输出导向空集的方法，已使输出集B中的元素远少于输入集A中埋桥的元素，但当需要取出全部有效值时仍需要多次计算。

扩展资料：

2017年5月，中国科学院宣布制造出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机，研发了10比特超导量子线路样品，通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作，成举仔功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。

此原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有实验机加快至少24000倍，比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10-100倍，虽然还是缓慢但已经逐步跨入实用价值阶段。

2017年7月，美国研究人员宣布完成51个量子比特的量子计算机模拟器[23]。哈佛大学米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）在莫斯科量子技术国际会议上宣布这一消息。量子模拟器使用了激光冷却的原子，并使用激光将原子固定。

2018年6月，英特尔宣布开发出新款量子芯片，使用五十奈米的量子比特做运算，并已在摄氏零下273度的极低温度中进行测试。

参考资料：百度百科 量子计算机

量子计算的基本原理

量子的重叠与牵连原理产生了巨大的计算能力。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个数，因为每一个量子比特可表示两个值。如果有更多量子比特的话，计算能力就呈指数级提高。 量子位（qubit）是量子计算的理论基石。在常规计算机中，信息单元李李慎用二进制的 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（super posed 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（gro und state）和第 1 激发态（f irstex cited state)、 质哪敬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.态空间由多个本征态（eigenstate) （即基本的量子态）构成，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，其简化的示意图如右图所示. 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的一个问题是，提高所需量子装置的准确性有困难。

世界上第一台商用量子计算机

加拿大量子计算公司D-Wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“D-Wave One”，量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。D-Wave公司的口号就是——“Yes,you can have one.”。其实早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用实用型量子计算机“Orion”（猎户座），不过严格来说当时那套系统还算不上真正意义的量子计算机，只是能用一些量子力学方法解决问题的特殊用途机器。

时隔四年之后，D-Wave One终于脱胎换骨、正式登场。它采用了128-qubit（量子比特）的处理器，四倍于之前的原型机，理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。另外，D-wave公司将会在2013年1月将其升级至512量子比特。不过呢，也别太兴奋，这个大家伙现在还只能处理经过优化的特定任务，通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手，而且编程方面也需要重新学习。 另外，为尽可能降低qubit的能级，需要利用低温超导状态下的铌产生qubit，D-Wave 的工作温度需保持在绝对零度附近（20 mK） 。

最后就是价格，2011年，NASA和Google分别以约一千万美元购置了一台512位qubit的D-Wave量子计算机 。这绝对是天价中的天价了，不过也是新技术开端的必然，就像当初的第一台电子计算机ENIAC造价扰激就有40万美元（二十世纪四十年代的40万美元）。

量子计算机原理

量子计算的原理就是将量子力学系统中量子态进行演化结果。

量子计算机的基本原理还是冯诺伊曼体系结构，量子计算机依然是分为两个主要单元，计算单元和存储单元。量子计算机和现在的电子计算机锋唤漏最大的不同在于其使用的存储单元，链返量子计算机用来存储数据的东西叫“量子比特”。

量子计算机

量子客体的波粒两象性迫使人们不得不引入波函数（量子态）来描述量子客体的状态，著名物理学家费曼曾指出：量子力学的精妙之处在于引入几率幅（即量银烂子态）的概念。事实上，量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态，而关于量子理论的长期激烈争论的焦点也在这个量子态。

事实上，按照量子力学理论， EPR粒子对处在所谓的纠缠态上，这个量子态最大地违背 Bell不等式，有着奇特的性质：我们无法单独地确定某个粒子处在什么量子态上，这个态给出的唯一信息是两个粒子之间的关联这类整体的特性，实验上已成功地制备这类纠缠态。

以上内容参考：百度百科——量子计算机

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