量子计算的基础知识和基本原理

关于量子计算的二三事

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什么叫量子计算

量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。

量子叠加态

在理解量子计算的概念时，通常把它和经典计算机相比较。
经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算，而二进制总是处于0和1的确定状态。量子计算和现有的计算模式完全不同，它借助量子力学的叠加特征，能够实现计算状态的叠加，它不仅包含0和1，还包含0和1同时存在的叠加态(superposition)。
从可计算的问题来看，量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题，但是从计算的效率上，由于量子力学叠加性的存在，某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。

• 量子系统中的叠加：

在经典计算机中，信息被编码为位链（bit），1 bit 信息就是两种可能情况中的一种：0或1，假或真，对或错。例如，电容器的板极间的电压可以代表1 bit 信息：带电的电容表示1，而放电的电容表示0。
不同于经典计算模式，在量子世界中，微观粒子的状态是不可确定的，系统以不同的概率处于不同状态的叠加之中。

量子比特

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位量子比特寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。
随着量子比特数目的递增，对于n个量子比特而言，量子信息可以处在2种可能状态的叠加，配合量子力学演化的并行性，可以展现比传统计算机更快的处理速度；加上量子纠缠等特性，理论上，量子计算机相较于当前使用最强算法的经典计算机，在一些问题上，有更快的处理速度和更强的处理能力。

量子力学第二假设（波函数ψ满足薛定谔方程）在信息学中的应用，直接的效果首先就是量子比特概念的出现。
在经典的世界里，一个比特(bit)简单地说就是可以用一位二进制数表示的信息。因此它只有两个取值，可以记为“0”或“1”。经典比特的一个最浅显特征就是0和1这两种状态是正交的，即0就是0,1，是1，写在纸上（或记录咋在其它“经典”材料上）的0不可能被看做是1, 1也不可能被看做是0。
然而在量子的层面，量子力学第二假设中的薛定谔方程式线性的，导致了态叠加原理的出现。
因此如果用ψ₀表示与经典的0相对应的量子系统的状态，ψ₁表示与1相对应的量子状态，那么它们的任意线性叠加ψ=αψ₀+βψ₁仍然是物理上允许存在的解，只要叠加系数α和β满足归一化条件 | α |²+| β |² = 1。也就是说，一个量子比特原则上可以有无穷个允许取值。
所以，与以经典比特为处理单位的经典计算机不同，量子计算机如果以量子比特为处理单位，那么一个存储单元就可以存储无穷多个值。这是导致量子计算机超越经典计算机的一个首要条件。

为什么我们需要量子计算

1. 大数据检索
   在当前的大数据和人工智能时代，量子计算可以解决海量的数据检索问题，以及物流优化问题，实现成本节省和减少碳排放等。在海量信息充斥和庞杂的时代，强大的数据分析和梳理工具无疑对人们的生活和工作有着很大帮助。
2. 量子模拟
   在量子模拟方面，特别是生化制药中，量子模拟有望利用相应的量子算法在更长的时间范围内准确地进行分子模拟，从而实现当前技术水平无法做到的精确建模。
3. 金融服务
   量子计算可以解决复杂的优化问题，如投资组合风险和欺诈检测。
4. 人工智能
   在人工智能方面，量子计算能有效提高机器学习的深度和速度，突破人工智能发展的瓶颈。量子机器学习可以帮助人工智能以类似人类的方式，更有效地执行复杂的任务。在量子计算机上训练人工智能可以提高计算机视觉识别、模式识别、语音识别等性能。
5. 现代农业
   在改进制造或替代氨的工艺方面进展甚微，在1900年代，有一种被称为Haber-Bosch process（哈柏法）的工业技术，通过氮气及氢气产生氨气（NH3），但它需要极高的热量和压力将氮气、氢气和铁转化成氨。如果用今天的超级计算机进行数字测试，找出合适的催化剂组合来制造氨，那么则需要几个世纪的时间；但是，量子计算机能够快速分析化学催化过程，并提出最佳的催化剂组合来产生氨。
6. 云计算
   量子云计算正在成为富有前景的领域。量子云平台可以简化编程，并提供对量子计算机的低成本访问。
7. 网络安全
   量子计算机可以用来破解保护敏感数据和电子通信安全的密码，同时，量子计算机也可以用来保护数据免受量子黑客攻击，这需要一种被称为量子加密的技术。量子加密是一种将纠缠光子通过量子密钥分配进行远距离传输的想法，目的是保护敏感的通信。最重要的一点是，如果量子加密通信被人截获，加密方案立即显示中断迹象，并显示通信不安全。这依赖于测量量子系统的行为会破坏系统的原理，被称为“测量效应”。
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参考文献：
郭国平、陈昭昀、郭光灿著. 《量子计算与编程入门》. 科学出版社
何广平著. 《通俗量子信息学》. 科学出版社
焦李成、李阳阳、马文萍、刘芳、尚荣华著. 《量子计算、优化与学习》. 科学出版社

• 学习资料：
• 量子计算讲解视频
• 简述量子计算漫画
• YouTube视频1
• YouTube视频2
• YouTube视频3 （讲解superposition）
• YouTube视频4 （讲解量子superposition和量子纠缠entanglement）
• 量子计算云平台
  *以上学习资料转载自：https://blog.csdn.net/m0_37622530/article/details/83886598