量子計(jì)算

量子計(jì)算是一場(chǎng)復(fù)雜的、有點(diǎn)神秘的技術(shù)革命,它有望從根本上改變信息的處理方式。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同的是,傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是基于由比特操作的兩國(guó)數(shù)字邏輯(可以是0或1),量子計(jì)算機(jī)利用量子力學(xué)的特性,例如疊加和糾纏,以難以想象的速度并行進(jìn)行計(jì)算。

導(dǎo)言

如今,即使使用最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī),有些問(wèn)題也只能在令人望而生畏的時(shí)間內(nèi)解決,例如建模氣候模型或分解一個(gè)大的半素?cái)?shù)。變量的相對(duì)數(shù)量相當(dāng)大,傳統(tǒng)系統(tǒng)需要數(shù)十億年才能找到相關(guān)的解決方案。

量子加工將使數(shù)學(xué),醫(yī)學(xué),?能量 由于處理速度巨大,有可能確定目前認(rèn)為不可能的極其復(fù)雜的解決方案。如上所述,量子計(jì)算采用特殊的硬件和算法,利用量子力學(xué)來(lái)解決復(fù)雜的問(wèn)題。

量子計(jì)算機(jī)與古典計(jì)算機(jī)和傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)截然不同,其操作極其關(guān)鍵。對(duì)于某些類型的問(wèn)題,即使是超級(jí)計(jì)算機(jī)也是不夠的,盡管由于使用了成千上萬(wàn)的CPU和GPS,它們可以每秒解決數(shù)十億次的操作,但它們無(wú)法在"人的"可訪問(wèn)的時(shí)間內(nèi)解決大規(guī)模的計(jì)算。復(fù)雜問(wèn)題的特點(diǎn)是存在若干變量,這些變量相互作用,標(biāo)準(zhǔn)多樣化,有時(shí)難以預(yù)測(cè)。通過(guò)量子計(jì)算可以相對(duì)簡(jiǎn)單地解決的一些例子如下:

· 為了密碼學(xué)的目的,大數(shù)目和半素?cái)?shù)的分解。有了量子計(jì)算機(jī),RSA系統(tǒng)的有效性可能會(huì)受到質(zhì)疑,但與此同時(shí),可以找到新的、更安全的數(shù)據(jù)保護(hù)方法

· 復(fù)雜系統(tǒng)的模擬:量子計(jì)算機(jī)能夠非常精確地模擬復(fù)雜系統(tǒng),例如分子之間的相互作用,為任何部門發(fā)現(xiàn)新藥或新材料

· 尋找具有大量獨(dú)立變量的數(shù)學(xué)模型.一個(gè)典型的例子是氣象事件的處理,由于改進(jìn)了與氣象有關(guān)的數(shù)學(xué)模型,這一領(lǐng)域正在不斷演變。?氣候 世界各地

· 優(yōu)化路由問(wèn)題,包括找到在不同地點(diǎn)之間運(yùn)送貨物或人員的最佳路線(最短、最快或最便宜),同時(shí)考慮到距離、旅行時(shí)間、交通、成本等方面的限制

· 大公司的資源管理和工作轉(zhuǎn)移意味著數(shù)以千計(jì)的條件和制約因素,用標(biāo)準(zhǔn)方法很難解決

· 財(cái)務(wù)業(yè)務(wù)的管理,需要極其深入和長(zhǎng)期的分析,以優(yōu)化投資組合并制定新的交易戰(zhàn)略

· 量子算法大大加速了非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)解的研究,比任何其他經(jīng)典算法都要少步驟地進(jìn)行分析

· 物理問(wèn)題的描述,例如那些與雙鐘擺有關(guān)的問(wèn)題,目前沒(méi)有令人滿意的解決辦法,因?yàn)橄到y(tǒng)的特點(diǎn)是混沌運(yùn)動(dòng),即。它的演化對(duì)最初的情況極其敏感

· 管理最快和最有效的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,能夠處理大量數(shù)據(jù)和解決與人工智能有關(guān)的復(fù)雜問(wèn)題。

量子計(jì)算機(jī)利用量子物理的行為,特別是疊加、糾纏和量子干涉等現(xiàn)象,并將其應(yīng)用于計(jì)算。與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相比,計(jì)算方法有很大的不同.這就好像一個(gè)電燈開(kāi)關(guān)可以同時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉,而不是假設(shè)兩個(gè)不同的狀態(tài)。

蒙特卡羅方法

確定由許多變量組成的復(fù)雜問(wèn)題的結(jié)果的方法之一是蠻力(參見(jiàn)圖1)。這種方法在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中使用,包括系統(tǒng)地嘗試所有可能的解決方法,直到找到正確的方法。傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)可以用蠻力來(lái)解決高度復(fù)雜的問(wèn)題,使用它的所有處理器來(lái)檢查和分析每一個(gè)組合,但是要達(dá)到這個(gè)結(jié)果需要大量的時(shí)間和工作記憶。

另一個(gè)可行的策略是蒙特卡羅方法,這是一種利用隨機(jī)抽樣獲得數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)問(wèn)題的數(shù)值解的計(jì)算技術(shù)。它的實(shí)現(xiàn)允許用戶模擬大量可能的場(chǎng)景來(lái)估計(jì)一個(gè)概率結(jié)果。這些方法,特別是與更復(fù)雜的問(wèn)題有關(guān)的方法,可能是緩慢和低效的,特別是對(duì)于那些涉及巨大解決空間的方法。相反,量子計(jì)算利用疊加原理,創(chuàng)建多維計(jì)算空間,允許量子比特同時(shí)表示無(wú)限態(tài)。這就使并行探索的解決方案數(shù)量成指數(shù)地增加,大大加速了尋找最佳解決方案的工作。

圖1:蠻力算法和蒙特卡洛

量子位、疊加和量子門

在經(jīng)典計(jì)算機(jī)中,所有的信息都被轉(zhuǎn)換成一系列比特(0和1);然而,量子計(jì)算機(jī)中有量子比特。量子比特是量子計(jì)算中的一個(gè)基本信息單位。量子位在經(jīng)典計(jì)算中扮演類似的角色,但它們的行為卻完全不同。經(jīng)典比特是二進(jìn)制的,只能有0或1的狀態(tài),而量子比特可以進(jìn)行所有可能的狀態(tài)的疊加。換句話說(shuō),它們可以處于0狀態(tài),1狀態(tài),或另一個(gè)稱為"疊加"的中間狀態(tài),其中量子比特以不同的百分比同時(shí)為0和1。當(dāng)讀取量子比特時(shí),它會(huì)從量子狀態(tài)崩潰,返回0或1。

在實(shí)質(zhì)上,為了理解量子比特是如何工作的,你可以想到一個(gè)包含一個(gè)對(duì)象的封閉框,它最初可以呈現(xiàn)紅色或黃色(參見(jiàn)圖2中的示例)。當(dāng)盒子

關(guān)閉時(shí),物體可以使用一些量子屬性將其顏色變?yōu)槌壬?這是紅色和黃色之間的中間組合。這種狀態(tài)被稱為"疊加"。當(dāng)盒子打開(kāi)時(shí),人們希望找到橙色物體,但不幸的是,它返回了原來(lái)的顏色之一,即。是紅色還是黃色。這將是一個(gè)相當(dāng)大的問(wèn)題,但有些"量子門"可以在疊加狀態(tài)下使用,使物體的狀態(tài)能夠在不破壞它們的情況下被讀取或修改。量子比特的一些最重要的特征如下:

· 疊加:有了這個(gè)特征,量子粒子是所有可能的狀態(tài)組合的結(jié)果.它們?cè)诒挥^察和測(cè)量之前是完整的

· 糾纏:量子位形成一個(gè)單一的系統(tǒng)并相互影響。通過(guò)對(duì)一個(gè)量子位進(jìn)行觀測(cè),可以計(jì)算出其他量子位的條件。

量子有無(wú)限可能的狀態(tài)。它可以把任何百分比中的1和0的任何可能重疊作為它在測(cè)量時(shí)會(huì)導(dǎo)致1或0的概率。然而,當(dāng)被測(cè)量時(shí),一個(gè)量子可以得到一個(gè)或一個(gè)零的結(jié)果,就像一個(gè)經(jīng)典的比特。量子比特的力量可以在測(cè)量之前觀察到,也就是說(shuō)。,在疊加相中,無(wú)限狀態(tài)組合可以發(fā)生。

多個(gè)量子位可以使用量子邏輯門(x,y,h等)組合起來(lái)。當(dāng)測(cè)量量子位的最終值時(shí),得到了概率值,因此,多次重復(fù)相同的算法總是很方便的,以獲得更可靠的結(jié)果,盡管處理時(shí)間比傳統(tǒng)的算法短。

圖2:比特和量子位之間的簡(jiǎn)單比較

量子算法的例子

網(wǎng)站上有幾個(gè)量子算法模擬器,用戶可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解這項(xiàng)技術(shù)的工作原理。其中一些模擬器設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單直觀,適合在這個(gè)領(lǐng)域邁出第一步的人,而另一些則提供高級(jí)功能,針對(duì)更有經(jīng)驗(yàn)的用戶。

無(wú)論如何,用戶必須清楚地了解量子算法的精確概念,它與傳統(tǒng)理論大不相同。這些工具的可用性是廣泛的:許多是免費(fèi)和開(kāi)放的,而其他的則是付費(fèi)的,并提供額外的功能或更全面的支持。其中一個(gè)是IBM提供的。這個(gè)例子很簡(jiǎn)單,涉及兩個(gè)量子位的價(jià)值交換。

圖3顯示了IBM量子作曲模擬器的屏幕,這是一個(gè)圖形環(huán)境和文本環(huán)境。最初,兩個(gè)量子位Q[0]和Q[1]被設(shè)置為值0。然后,量子比特Q[0]被顛倒并設(shè)置為1。三個(gè)"CX"命令隨之而來(lái),代表一個(gè)CNOT(控制-非)量子邏輯門)。它包含兩個(gè)參數(shù),通常是兩個(gè)量子位。Q比特0的值控制Q比特1的值。如果Q比特0是0,運(yùn)算員就會(huì)保持魁位1不變,但是如果Q比特0是1,運(yùn)算員就會(huì)顛倒魁位1的值。

這個(gè)推理對(duì)基本狀態(tài)0或1是有效的,而對(duì)疊加狀態(tài)來(lái)說(shuō),處理要復(fù)雜得多。模擬程序的源清單是用公開(kāi)的2.0語(yǔ)言編寫的,建議如下:

OPENQASM 2.0;

包括"Qelb1.inc";

qreg q[2];

creg c[2];

reset q[0];

reset q[1];

x q[0];

cx q[0], q[1];

cx q[1], q[0];cx q[0], q[1];

簡(jiǎn)而言之,下面是對(duì)各個(gè)命令的描述:

· 公開(kāi)語(yǔ)言2.0:公開(kāi)語(yǔ)言使用版本

· 包括"Qelb1.inc":這一行包括一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)文件(Qelb1.inc),其中包含量子運(yùn)算的定義

· Q[2]:這條線表示一個(gè)名為"Q"的量子寄存器,包含兩個(gè)量子位,Q[0]和Q[1]

· C[2]:這一行表示一個(gè)稱為"C"的經(jīng)典寄存器,它含有兩個(gè)經(jīng)典的C[0]和C[1]位。利用經(jīng)典寄存器存儲(chǔ)量子比特測(cè)量結(jié)果

· 重置Q[0]和重置Q[1]:這些行重置兩個(gè)量子位到|0&pt;狀態(tài)

· 這行應(yīng)用門X(量子不)到第一個(gè)量子位Q[0].閘門X反轉(zhuǎn)量子比特狀態(tài),因此,如果量子比特在|0&pt;,它將被設(shè)置為|1&pt;

· CXQ[0],Q[1]:如上所述,這一行應(yīng)用CNOT(控制-非)門,以Q[0]作為控制量,并以Q[1]作為目標(biāo)量。CNOT閘門只有當(dāng)Q[0]處于情勢(shì)時(shí)才會(huì)逆轉(zhuǎn)Q[1]的狀態(tài)

· CXQ[1],Q[0]:這行應(yīng)用另一個(gè)CNOT門,但這次以Q[1]為控件,Q[0]為目標(biāo)

·

· CXQ[0],Q[1]:最后,應(yīng)用了第三個(gè)CNOT門,返回到原來(lái)的配置,以Q[0]為控件。

圖3:涉及兩個(gè)量子位之間價(jià)值交換的一個(gè)量子例子

結(jié)論

量子計(jì)算是一場(chǎng)真正的技術(shù)革命,能夠從根本上改變多個(gè)部門。量子計(jì)算肯定會(huì)讓科技向前邁進(jìn)一大步。雖然這一學(xué)科仍處于早期階段,但潛力巨大,為解決迄今無(wú)法解決的復(fù)雜問(wèn)題的創(chuàng)新辦法鋪平了道路。從科學(xué)發(fā)現(xiàn)到工業(yè)優(yōu)化,從醫(yī)學(xué)到金融,量子計(jì)算的影響將是深遠(yuǎn)的,并將塑造技術(shù)和社會(huì)的未來(lái)。然而,第一批消費(fèi)品的商業(yè)化時(shí)機(jī)尚未成熟,量子計(jì)算機(jī)要在幾十年之后才能進(jìn)入我們的家園。