量子計(jì)算機(jī)原理_量子計(jì)算機(jī)有多強(qiáng)大

　　量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)是有所不同的，其輸入態(tài)和輸出態(tài)一般為疊加態(tài)，其互相之間通常不正交。量子計(jì)算機(jī)的變換為所有可能的幺正變換。因此可以看出量子計(jì)算對經(jīng)典計(jì)算做了極大的擴(kuò)充，經(jīng)典計(jì)算是一種特殊的量子計(jì)算。

　　量子計(jì)算最本質(zhì)的的特征為量子疊加性與相干性，量子計(jì)算機(jī)對每一個(gè)疊加分量實(shí)現(xiàn)變換相當(dāng)于一種經(jīng)典計(jì)算，所有經(jīng)典計(jì)算同時(shí)完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計(jì)算的輸出結(jié)果，這種計(jì)算稱為量子并行計(jì)算。量子并行計(jì)算大大提高了量子計(jì)算機(jī)的效率。

　　量子計(jì)算機(jī)原理

　　普通的數(shù)字計(jì)算機(jī)在0和1的二進(jìn)制系統(tǒng)上運(yùn)行，稱為“比特”（bit）。但量子計(jì)算機(jī)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)更為強(qiáng)大。它們可以在量子比特（qubit）上運(yùn)算，可以計(jì)算0和1之間的數(shù)值。假想一個(gè)放置在磁場中的原子，它像陀螺一樣旋轉(zhuǎn)，于是它的旋轉(zhuǎn)軸可以不是向上指就是向下指。

　　常識告訴我們：原子的旋轉(zhuǎn)可能向上也可能向下，但不可能同時(shí)都進(jìn)行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態(tài)的總和，一個(gè)向上轉(zhuǎn)的原子和一個(gè)向下轉(zhuǎn)的原子的總和。在量子的奇妙世界中，每一種物體都被使用所有不可思議狀態(tài)的總和來描述。

　　想象一串原子排列在一個(gè)磁場中，以相同的方式旋轉(zhuǎn)。如果一束激光照射在這串原子上方，激光束會躍下這組原子，迅速翻轉(zhuǎn)一些原子的旋轉(zhuǎn)軸。通過測量進(jìn)入的和離開的激光束的差異，我們已經(jīng)完成了一次復(fù)雜的量子“計(jì)算”，涉及了許多自旋的快速移動。

　　從數(shù)學(xué)抽象上看，量子計(jì)算機(jī)執(zhí)行以集合為基本運(yùn)算單元的計(jì)算，普通計(jì)算機(jī)執(zhí)行以元素為基本運(yùn)算單元的計(jì)算（如果集合中只有一個(gè)元素，量子計(jì)算與經(jīng)典計(jì)算沒有區(qū)別）。

　　以函數(shù)y=f（x），x∈A為例。量子計(jì)算的輸入參數(shù)是定義域A，一步到位得到輸出值域B，即B=f（A）；經(jīng)典計(jì)算的輸入?yún)?shù)是x，得到輸出值y，要多次計(jì)算才能得到值域B，即y=f（x），x∈A，y∈B。

　　量子計(jì)算機(jī)有一個(gè)待解決的問題，即輸出值域B只能隨機(jī)取出一個(gè)有效值y。雖然通過將不希望的輸出導(dǎo)向空集的方法，已使輸出集B中的元素遠(yuǎn)少于輸入集A中的元素，但當(dāng)需要取出全部有效值時(shí)仍需要多次計(jì)算。

　　量子計(jì)算機(jī)有多強(qiáng)大

　　我們先來了解一下量子計(jì)算機(jī)的并行運(yùn)算。假如有一磚窯需要搬磚，你可以一個(gè)人完成，只是花費(fèi)的時(shí)間很長，同樣道理，你可以找到9個(gè)幫手，那么所要花費(fèi)的時(shí)間大大縮短，但是所需要的員工數(shù)量就會增加。而搬磚的工作就需要考慮時(shí)間和人員的問題。這就是目前設(shè)計(jì)算法的基本思考：時(shí)間和空間上的考慮。而對于空間上的考慮就是并行運(yùn)算，很明顯并行運(yùn)算節(jié)省時(shí)間，不過卻花費(fèi)存儲空間（人員）。然而現(xiàn)在所有的任務(wù)幾乎都是以節(jié)省時(shí)間的任務(wù)，所以并行運(yùn)算成為超級運(yùn)算的核心。然而制約并行運(yùn)算的關(guān)鍵是你首先需要將這些存儲空間（人員）準(zhǔn)備好，而后再進(jìn)行數(shù)據(jù)、命令控制而已，其中的關(guān)鍵是存儲。

　　量子計(jì)算機(jī)核心優(yōu)勢就在于存儲。一個(gè)量子可以表示0和1的混合態(tài)，也就是一個(gè)量子可以表示兩個(gè)數(shù)，二個(gè)量子可以表示4個(gè)數(shù)據(jù)，而更多的量子就可以表示更多的數(shù)。其中最為神奇的是：如果有兩個(gè)量子表示的四個(gè)數(shù)是并存的，一直存在的，而傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)僅能存儲一個(gè)數(shù)。如果你將谷歌的搜索數(shù)據(jù)通過某種轉(zhuǎn)換存儲在量子計(jì)算機(jī)與常規(guī)的計(jì)算機(jī)上，其所需要的存儲比特?cái)?shù)目將會有太大的區(qū)別。數(shù)據(jù)顯示一個(gè)具備48個(gè)量子比特的計(jì)算機(jī)就可以超越太湖之光的計(jì)算能力。那么谷歌公司所能做的僅僅是將檢索信息轉(zhuǎn)換為量子比特存儲，而后我們通過量子編程在這些量子存儲中找到所需要的檢索信息而已。這就是為什么量子計(jì)算機(jī)如何厲害。

　　接下來我們看看量子計(jì)算機(jī)會給我們的會給我們的生活帶來什么樣的變化。

　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授朱曉波說，在我們生活的宏觀世界里，物體的位置、速度等運(yùn)動規(guī)律，都可以通過牛頓力學(xué)精確地測算。但在量子微觀世界里，有著與宏觀世界截然不同的規(guī)則。

　　量子的神秘之處首先體現(xiàn)在它的“狀態(tài)”。在宏觀世界里，任何一個(gè)物體在某一時(shí)刻有著確定的狀態(tài)和確定的位置。但在微觀世界里，量子卻同時(shí)處于多種狀態(tài)和多個(gè)位置的“疊加”。

　　量子力學(xué)的開創(chuàng)者之一、奧地利物理學(xué)家薛定諤曾用一只貓來比喻量子態(tài)疊加：箱子里有一只貓，在宏觀世界中它要么是活的，要么是死的。但如果在量子世界中，它同時(shí)處于生和死兩種狀態(tài)的疊加。

　　更為詭異的是，量子的狀態(tài)還經(jīng)不起“看”。也就是說，如果你去測量一個(gè)量子，那么它就會從多個(gè)狀態(tài)、多個(gè)位置，變成一個(gè)確定的狀態(tài)和一個(gè)確定的位置了。如果你打開“薛定諤的箱子”，貓的疊加狀態(tài)就會消失，你會看到一只活貓或一只死貓。

　　如果說一個(gè)量子已經(jīng)很“奇怪”，那么當(dāng)兩個(gè)量子“糾纏”在了一起，那種不確定性連愛因斯坦都受不了了。根據(jù)量子力學(xué)理論，如果兩個(gè)量子之間形成了“糾纏態(tài)”，那么無論相隔多遠(yuǎn)，當(dāng)一個(gè)量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個(gè)量子也會超光速“瞬間”發(fā)生如同心靈感應(yīng)的變化。

　　而基于量子的疊加態(tài)與糾纏特性，量子計(jì)算機(jī)被認(rèn)為將是最具威力的量子信息應(yīng)用。此次亮相的多光子可編程量子計(jì)算機(jī)，就是探索之一。未來，其超級計(jì)算能力的實(shí)現(xiàn)，將為金融分析、氣象預(yù)報(bào)、藥物設(shè)計(jì)等大規(guī)模計(jì)算提供全新的方案。

　　或許現(xiàn)在，你還對量子計(jì)算機(jī)充滿疑惑，亦或是覺得其也不過如此，但無論怎樣，量子計(jì)算機(jī)都已不再那么神秘，當(dāng)我們把量子計(jì)算機(jī)拉下神壇后，或許我們才可以更加深刻客觀的思考量子計(jì)算機(jī)于我們而言，是否能夠又一次改變我們的世界？

　　毫無疑問，答案將是肯定的，量子計(jì)算機(jī)必將挑戰(zhàn)現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)世界所構(gòu)建的規(guī)則，改變這個(gè)世界的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，但是，這樣的改變也必將是悄無聲息的，它不會像Iphone那樣讓人觸手可及，但它卻在社會的更深層次，更隱秘的層次推動著社會的發(fā)展與進(jìn)步，就像當(dāng)打電話時(shí)，我們并不關(guān)心信息是通過傳統(tǒng)通信衛(wèi)星還是量子通信衛(wèi)星進(jìn)行傳送的，我們只關(guān)心它能不能通信，然而，量子通信衛(wèi)星所具有的高并行處理能力和極高安全性能，傳統(tǒng)通信衛(wèi)星望其項(xiàng)背；當(dāng)我們乘坐高鐵時(shí)，我們并不會考慮它是如何設(shè)計(jì)建造的，我們只關(guān)心它是否夠快，是否夠平穩(wěn)，然而，量子計(jì)算機(jī)的海量數(shù)據(jù)模擬，將會極大的減少設(shè)計(jì)建造周期，解放設(shè)計(jì)師的想象力與生產(chǎn)力，達(dá)到更快更穩(wěn)的設(shè)計(jì)要求。。。。。。或許，在不久的將來，我們能夠預(yù)測地震海嘯，或許我們能夠利用更強(qiáng)大的計(jì)算能力，往宇宙的深處進(jìn)發(fā)，探索生命的根源，探尋宇宙的起點(diǎn)。

　　量子計(jì)算機(jī)不再神秘，而它帶來的改變將會陪伴我們每一個(gè)人，但它卻摸不著也看不見，或許真正的科技正是這樣，讓人感受不到它的存在。