量子计算机

2019年CES,IBM展示了所谓世界上第一个为科学和商用计算设计的集成通用近似量子计算机。部分媒体认为这可以作为量子计算机商用和实用化作为一个标志。回想起2018年的CES,英特尔宣布交付49量子位的芯片。一个新时代似乎离我们越来越近。
作为一个工程师,对科学的进展总是处于一种矛盾。一方面为了世界进步而欢欣鼓舞,新的领域会带来新的财富和人类幸福。另一方面,新的技术的出现也标志着旧的技术的落伍,我们注定要让位给更年轻的工程师。但是无论如何,新的技术的发展与否是科学家和上帝决定的,我们工程师只有接受一条路可以走。

从物理学谈起

量子计算机_第1张图片
上面是经典的双缝干涉实验。这个实验证明了,电子是一种波。但是这个实验另物理学家困惑的是另一个事情:假如你在两狭缝边上各放置一个粒子探测器,来观察电子到底穿过了哪条狭缝。你的意图可以得逞,比如电子击中探测器的探头,不断发出明亮的闪烁,你高兴地欢呼:“你这个鬼家伙,终于被我逮着了!你刚才走的是这条缝,现在走的是那条缝。”但是,等你把头探到屏障后面,就会发现大事不妙:干涉图案竟然消失不见了,只留下像弹痕一样的两条直截分明的狭缝投影。

物流学家的解释是,当你知道了电子穿过哪条狭缝时,电子就不在处于叠加态(电子是波相当于电子拥有同时穿过两个狭缝的叠加态)。换句话说,你的观察改变了电子的状态。这不是一件容易接受的事情,爱因斯坦终其一生也要否认这个解释。其中著名的理论就是贝尔不等式,用来验证局域实在理论(爱因斯坦的隐变量理论)和量子力学哪个是对的。最终的结果大家都知道了。

电子的自旋有向上和向下两种状态,这两种自旋态可以处于任意的叠加态。如果有两个电子,它们的自旋态有四种可能:上上,下下,上下和下上。把它们制备到相互纠缠的状态:自旋同时向上和同时向下的叠加态。当我们测量出一个电子的自旋是向上(向下)的,那么另外一个电子的自旋态就塌缩到向上(向下)的状态,不论电子之间的距离到底有多远。这个塌缩是瞬时的,传递速度超越了光速。最新的实验表明,这个超距相互作用传递速度至少是光速的一万倍。

量子是什么?

如果某物理量存在最小的、不能再被分割的基本单位,那么这个物理量就是量子化的,这个最小的基本单位就是量子,量子来自拉丁语,本意是“有多少”的意思,表示:相当数量的某物质,量子这一概念的提出是量子力学区别于经典力学的首次突破。量子不是基本粒子!也没有基本粒子是量子!人类第一个定义的量子概念是能量子。能量子是能量的基本单位。除了能量外,自旋,电荷等物理量也可以被量子化。

叠加态又是什么?

初中高中的物理学告诉我们,光和声音这种波都服从叠加原理。

经典bit的载体是半导体开关电路。只能用来表示0或者1,这两个状态。而与之对应的qbit(量子比特)可以表示0或者1,也可以表示0和1的任意叠加态

解决问题的一般步骤

  • 制备叠加态,使其能表示2的n次方个状态。
  • 将实际问题通过量子门操作编码到叠加态。
  • 使用一些新方法操作处于叠加态的qbits,让答案处于高概率事件,并通过测量得出答案。

工程模型

quantum circuit mode

one way quantum computation model

adiabatic(绝热) quantum computation model

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