量子计算的基本原理,量子计算到底是什么呢?

2020-11-20 19:11:34 字数 4667 阅读 6485

1楼:汐然7暹枼

量子的重叠与牵连原理产生了巨大的计算能力。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位量子位(qubit)寄存器可同时存储这四个数,因为每一个量子比特可表示两个值。如果有更多量子比特的话,计算能力就呈指数级提高。

量子位(qubit)是量子计算的理论基石。在常规计算机中,信息单元用二进制的 1 个位来表示,它不是处于“ 0” 态就是处于“ 1” 态. 在二进制量子计算机中,信息单元称为量子位,它除了处于“ 0” 态或“ 1” 态外,还可处于叠加态(super posed state) .

叠加态是“ 0” 态和“ 1” 态的任意线性叠加,它既可以是“ 0” 态又可以是“ 1” 态,“ 0” 态和“ 1” 态各以一定的概率同时存在. 通过测量或与其它物体发生相互作用而呈现出“ 0” 态或 “ 1” 态.任何两态的量子系统都可用来实现量子位,例如氢原子中的电子的基态(gro und state)和第 1 激发态(f irstex cited state)、 质子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圆偏振光的左旋和右旋等。

一个量子系统包含若干粒子,这些粒子按照量子力学的规律运动,称此系统处于态空间的某种量子态.态空间由多个本征态(eigenstate) (即基本的量子态)构成,基本量子态简称基本态(basic state)或基矢(basic vector) . 态空间可用hilbert 空间(线性复向量空间)来表述,即hilbert 空间可以表述量子系统的各种可能的量子态.

为了便于表示和运算,dirac提出用符号 x〉 来表示量子态,x〉 是一个列向量,称为ket ;它的共轭转置(conjugate t ranspose) 用〈 x 表示,〈 x 是一个行向量,称为bra.一个量子位的叠加态可用二维hilbert 空间(即二维复向量空间)的单位向量 〉 来描述,其简化的示意图如右图所示. 量子计算将有可能使计算机的计算能力大大超过今天的计算机,但仍然存在很多障碍。

大规模量子计算所存在的一个问题是,提高所需量子装置的准确性有困难。

世界上第一台商用量子计算机

加拿大量子计算公司d-wave于2011年5月11日正式发布了全球第一款商用型量子计算机“d-wave one”,量子电脑的梦想距离我们又近了一大步。d-wave公司的口号就是——“yes,you can have one.”。

其实早在2007年初,d-wave公司就展示了全球第一台商用实用型量子计算机“orion”(猎户座),不过严格来说当时那套系统还算不上真正意义的量子计算机,只是能用一些量子力学方法解决问题的特殊用途机器。

时隔四年之后,d-wave one终于脱胎换骨、正式登场。它采用了128-qubit(量子比特)的处理器,四倍于之前的原型机,理论运算速度已经远远超越现有任何超级电子计算机。另外,d-wave公司将会在2013年1月将其升级至512量子比特。

不过呢,也别太兴奋,这个大家伙现在还只能处理经过优化的特定任务,通用任务方面还远不是传统硅处理器的对手,而且编程方面也需要重新学习。 另外,为尽可能降低qubit的能级,需要利用低温超导状态下的铌产生qubit,d-wave 的工作温度需保持在绝对零度附近(20 mk) 。

最后就是**,2011年,nasa和google分别以约一千万美元购置了一台512位qubit的d-wave量子计算机 。这绝对是天价中的天价了,不过也是新技术开端的必然,就像当初的第一台电子计算机eniac造价就有40万美元(二十世纪四十年代的40万美元)。

量子计算到底是什么呢?

2楼:科普中国

量子计算:突破传统计算瓶颈、拥有指数级计算能力。

突破传统计算瓶颈

计算机发展的瓶颈主要有两个。首先,随着晶体管体积不断缩小,计算机可容纳的元器件数量越来越多,产生的热量也随之增多。其次,随着元器件体积变小,电子会穿过元器件,发生量子隧穿效应,这导致了经典计算机的比特开始变得不稳定。

量子计算机的出现,巧妙地解决了计算机发展的瓶颈问题。丁洪说,从原理来看,量子计算机是可逆计算机,不会丢失信息。经典计算机则是不可逆计算机,不可逆计算过程中每个比特的操作都会有热损耗。

拥有指数级计算能力

中国科学院郭光灿院士曾这样解释量子计算机的计算能力。他说,量子比特可以制备两个逻辑态0和1的相干叠加态,换句话讲,它可以同时存储0和1。考虑一个n个物理比特的存储器,若它是经典存储器,则它只能存储2n个可能数据当中的某一个;若它是量子存储器,则它可同时存储2n个数据。

而且随着n的增加,其存储信息的能力将呈指数级上升。

量子计算不仅可应用于人工智能领域,提升机器学习效率,还能应对复杂情况,如实现天气的精准**。生活中的诸多不便如交通拥堵,也能依靠其算法解决。

“(量子计算)发展非常迅速。”丁洪说,以前普遍认为量子计算机是

三、五十年之后才能出现的。按照现在的发展速度,可能三五年后就会出现。

目前谷歌、微软、英特尔、ibm、阿里巴巴等国际巨头都积极参与到量子计算机的研究中。2017年12月13日,ibm宣布将与三星、摩根大通和巴克莱银行等12家主要公司合作,共同开发商用量子计算。

量子计算机的工作原理是什么?为什么计算速度比普通计算机快

3楼:匿名用户

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行,称为“比特”(bit)。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特(qubit)上运算,可以计算0和1之间的数值。

假想一个放置在磁场中的原子,它像陀螺一样旋转,于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。常识告诉我们:原子的旋转可能向上也可能向下,但不可能同时都进行。

但在量子的奇异世界中,原子被描述为两种状态的总和,一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中,每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。

想象一串原子排列在一个磁场中,以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方,激光束会跃下这组原子,迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异,我们已经完成了一次复杂的量子“计算”,涉及了许多自旋的快速移动。

从数学抽象上看,量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算,普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算(如果集合中只有一个元素,量子计算与经典计算没有区别)。

以函数y=f(x),x∈a为例。量子计算的输入参数是定义域a,一步到位得到输出值域b,即b=f(a);经典计算的输入参数是x,得到输出值y,要多次计算才能得到值域b,即y=f(x),x∈a,y∈b。

量子计算机有一个待解决的问题,即输出值域b只能随机取出一个有效值y。虽然通过将不希望的输出导向空集的方法,已使输出集b中的元素远少于输入集a中的元素,但当需要取出全部有效值时仍需要多次计算。

量子计算将会革新传统的计算模式吗?

4楼:小青蛙跳着走

量子计算是通过叠加原理和量子纠缠等次原子粒子的特性来实现对数据的编码和操纵,量子计算未来研究将会显现超强的神通。

在过去的几十年里,量子计算只存在于理论上,但近些年的研究已经开始出现有意义的结果,开发并验证了多种量子算法,研制出了量子计算机实验原型机,未来的5年—15年里,我们很有可能制造出一款有实用意义的量子计算机。

量子计算机的出现将给气候模拟、药物研究、材料科学等其他科研领域带来巨大的进步。不过,最令人期待的还是量子密码学。一台量子计算机将可以破解目前所有的加密方式,而量子加密也将真正无懈可击。

希望量子计算机可以早日出现!

量子计算机的工作原理和运用?

5楼:匿名用户

量子计算机,顾名思义,就是实现量子计算的机器。要说清楚量子计算,首先看经典计算。经典计算机从物理上可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换的机器,其算法由计算机的内部逻辑电路来实现。

经典计算机具有如下特点:

其输入态和输出态都是经典信号,用量子力学的语言来描述,也即是:其输入态和输出态都是某一力学量的本征态。如输入二进制序列0110110,用量子记号,即|0110110>。

所有的输入态均相互正交。对经典计算机不可能输入如下叠加态:c1|0110110 >+ c2|1001001>。

经典计算机内部的每一步变换都演化为正交态,而一般的量子变换没有这个性质,因此,经典计算机中的变换(或计算)只对应一类特殊集。

相应于经典计算机的以上两个限制,量子计算机分别作了推广。量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述,如二能级系统(称为量子比特(qubits)),量子计算机的变换(即量子计算)包括所有可能的么正变换。因此量子计算机的特点为:

量子计算机的输入态和输出态为一般的叠加态,其相互之间通常不正交;

量子计算机中的变换为所有可能的么正变换。得出输出态之后,量子计算机对输出态进行一定的测量,给出计算结果。

由此可见,量子计算对经典计算作了极大的扩充,经典计算是一类特殊的量子计算。量子计算最本质的特征为量子叠加性和量子相干性。量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算,所有这些经典计算同时完成,并按一定的概率振幅叠加起来,给出量子计算机的输出结果。

这种计算称为量子并行计算。

无论是量子并行计算还是量子模拟计算,本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是,在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中,量子比特不是一个孤立的系统,它会与外部环境发生相互作用,导致量子相干性的衰减,即消相干(也称“退相干”)。

因此,要使量子计算成为现实,一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是:

量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比,是目前研究的最多的一类编码,其优点为适用范围广,缺点是效率不高。

迄今为止,世界上还没有真正意义上的量子计算机!

商品的价值源泉是什么,商品的价值源泉是什么马克思主义基本原理

1楼 晴天娃娃 就商品的使用价值而言,劳动并不是由使用价值构成的物质财富的唯一源泉。使用价值有两个源泉,即自然物质和人的劳动。用马克思引用过的威廉 配第的话来说,劳动是财富之父,土地是财富之母。 但商品价值的源泉只有一个,那就是人类的抽象劳动。 2楼 匿名用户 商品的价值源于用途,如果有用途那么就有...