量子计算的基本原理论述

1.概述

量子计算机，简单地说，它是一种可以实现量子计算的机器，是一种通过量子力学规律以实现数学和逻辑运算，处理和储存信息能力的系统。它以量子态为记忆单元和信息储存形式，以量子动力学演化为信息传递与加工基础的量子通讯与量子计算，在量子计算机中其硬件的各种元件的尺寸达到原子或分子的量级。量子计算机是一个物理系统，它能存储和处理关于量子力学变量的信息。

如同传统计算机是通过集成电路中电路的通断来实现0和1之间的区分，其基本单元为硅晶片一样，量子计算机也有着自己的基本单位——昆比特(qubit)。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，原子中量子所处的两个不同能级，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。

2.原理

2.1.量子系统

什么叫量子系统呢？所谓量子系统其实是我们针对性研究的在物理上相对隔离的一个量子体系。如果愿意你也可以把整个宇宙看成一个量子系统，虽然实际上这样做并没有什么luan用，因为量子力学的规律是普适的，不论是宏观还是微观。这种关系就像是假如你有一个亿的身价，那么多或者少个百十来块钱你是不会在乎的，但如果你这个时候手头特别紧张那么这百十来块钱对你来说影响还是很大的，但多或者少钱都是实实在在发生了的。那么怎么去描述一个量子系统呢？就假如一个封闭的盒子中有三个粒子，按量子力学的规律该如何去描述呢？我们说粒子在，粒子在，粒子在吗？量子力学不是这么玩的。在某一时刻量子系统中粒子的位置是不确定的，我们用位置空间的波函数描述，描述t时刻粒子位于 粒子位于 粒子位于的概率。但是对于量子计算来说，并不关心某一时刻粒子的位置，为了模拟经典计算机的0和1状态，我们需要一个二分量的物理量，二分量的自旋是一种比较好的选择。那么在自旋空间怎么来描述这个系统的状态呢？如下图：

                                                                             

这里描述了(粒子1自旋向上、粒子2自旋向下、粒子3自旋向上)的一个系统状态。

2.1.态叠加原理

对于上面的三粒子量子系统，我们在自旋空间已经给出了具体的描述方法。对于这个系统所有的可观测状态如下图所示，三粒子二分量自旋空间总共有8种可测量状态，这点是容易理解的。

                                        

那么什么叫可观测状态呢？就是说我们用实际的物理设备去测量这个量子系统的时候，只能测量出此时系统处于以上八种状态中的一种。 所谓量子叠加就是说在测量前这个量子系统可以处于以上八种状态的任意线性组合态，如下所示：

                  

                                  

 2.3.量子并行原理

3.量子搜索算法简述

这里使用上面的三量子系统来实际解决一个简单问题，体会一下量子计算是如何运作的

问题描述：

首先制备三粒子的叠加态量子系统：

这里做如下的一种变换，具体比如说量子算法怎么设计以及具体怎么转换的问题这里不做讨论，本文章以原理性的说明为目的：

                                    

https://blog.csdn.net/m0_37622530/article/details/82502560