量子計(jì)算機(jī)為什么快?如何構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)?

在這篇文章中，小編將為大家?guī)?lái)計(jì)算機(jī)" target="_blank">量子計(jì)算機(jī)的相關(guān)報(bào)道。如果你對(duì)本文即將要講解的內(nèi)容存在一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

一、量子計(jì)算機(jī)為什么快

那么為什么量子計(jì)算機(jī)能算的這么快呢?這是由它的工作原理決定的。不過在介紹量子計(jì)算機(jī)的工作原理之前，有必要先簡(jiǎn)單了解下傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是如何工作的，只有這樣才能直觀知道量子計(jì)算機(jī)到底提升在什么地方。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的最小組成單位是晶體管，它本質(zhì)就是一個(gè)開關(guān)，所以計(jì)算機(jī)最本質(zhì)的工作原理就是利用晶體管的開和關(guān)，去表示0和1。這也是計(jì)算機(jī)里表示數(shù)的最小單位：比特，也叫做1位。有了0和1，我們就可以用二進(jìn)制表示所有的數(shù)了，比如前面的3就是011，5就是101。我們還可以用很多個(gè)晶體管組成各種電路來(lái)完成特定的運(yùn)算，比如加減乘除。然后這些簡(jiǎn)單的電路可以再組合成更加復(fù)雜的電路，最終形成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)芯片。

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片里包含了成百上千億個(gè)晶體管，比如蘋果的M1 Ultra里就有1140億個(gè)晶體管。也有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)，到2025年，世界上所有芯片里晶體管的數(shù)量總和，會(huì)超過世界上所有人身體里的細(xì)胞數(shù)量總和。毫不夸張的說(shuō)，現(xiàn)代文明就是建立在這一個(gè)個(gè)小小的晶體管上的。

但是盡管有這么多晶體管，它們卻有一個(gè)根本的問題，那就是每個(gè)晶體管在同一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)值。因?yàn)榫w管的狀態(tài)要么是開要么是關(guān)，所以只能表示0或者1。也就是說(shuō)，做一次計(jì)算，只能得到一個(gè)固定的結(jié)果。

所以如果要進(jìn)行大量計(jì)算的時(shí)候，只有兩種辦法，一個(gè)是加快每次計(jì)算的速度，比如提高CPU的計(jì)算頻率，另外一個(gè)就是多個(gè)計(jì)算同時(shí)進(jìn)行，比如采用更多的CPU內(nèi)核、或者買更多的計(jì)算機(jī)并行運(yùn)行。但是對(duì)于前面說(shuō)的特別復(fù)雜的問題，要算15萬(wàn)年才能解決的問題，買成千上萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器可能都解決不了。這個(gè)時(shí)候，量子計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)就展現(xiàn)出來(lái)了。

二、如何構(gòu)建容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)

科學(xué)家通常希望通過將量子信息傳播到許多冗余的量子位來(lái)補(bǔ)償這些高錯(cuò)誤率。這將有助于量子計(jì)算機(jī)檢測(cè)和糾正錯(cuò)誤，從而使研究人員迄今為止開發(fā)的一千個(gè)左右的“物理量子比特”組成一個(gè)有用的“邏輯量子比特”。重要的是，“邏輯量子位”是抽象的，它不是由單個(gè)被捕獲的原子或光子或任何量子計(jì)算介質(zhì)組成，而是一個(gè)能夠執(zhí)行實(shí)際計(jì)算并跨越多個(gè)物理量子位的實(shí)體。

量子不可克隆定理表明，對(duì)任意一個(gè)未知的量子態(tài)進(jìn)行完全相同的復(fù)制過程不可實(shí)現(xiàn)，需要通過將邏輯量子信息分配到多個(gè)物理系統(tǒng)的糾纏態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)冗余。這就需要一套通用的門，對(duì)所有算法進(jìn)行編程。

量子門是構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的基本單元，實(shí)現(xiàn)高保真度的量子門操作是容錯(cuò)量子計(jì)算的必要條件。因此，研究人員在邏輯量子位中準(zhǔn)備了一個(gè)特殊的狀態(tài)，并通過糾纏門操作將其傳送到另一個(gè)量子位來(lái)演示T門。

在編碼過的邏輯量子位中，存儲(chǔ)的量子信息被保護(hù)著，不會(huì)出錯(cuò)。但如果不進(jìn)行計(jì)算操作，這樣的量子位就是無(wú)用的。因此，研究人員在邏輯量子位上進(jìn)行了操作，使基礎(chǔ)物理操作引起的錯(cuò)誤可以被檢測(cè)和糾正，并在編碼的邏輯量子位上實(shí)現(xiàn)了通用門集的第一個(gè)容錯(cuò)演示。

可以說(shuō)，在容錯(cuò)量子位中，實(shí)現(xiàn)基于兩個(gè)量子位(一個(gè) CNOT門，即量子受控非門)和一個(gè)邏輯T門的計(jì)算操作難以進(jìn)行。但該研究在離子阱量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了通用量子門集，這對(duì)于容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展具有重大意義。

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