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量子计算的理论发展(一)

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量子计算的理论发展(一)

雪花又一年 2018-05-17 15:17:39 浏览58 评论0

摘要: 做量子计算的人常被问的问题就是,『什么是量子计算?』 其实顾名思义,量子计算机就是操控量子信息的计算机。 那么量子信息是什么?它和经典信息有什么不同呢? 量子信息有以下几个特点: 1、量子信息的存储量大。

做量子计算的人常被问的问题就是,『什么是量子计算?』

其实顾名思义,量子计算机就是操控量子信息的计算机。

那么量子信息是什么?它和经典信息有什么不同呢?

量子信息有以下几个特点:

1、量子信息的存储量大。这是根据量子叠加态原理,比如说2个经典比特有4种情况,00,01,10,11,但是这两个比特只能处于其中一个态,就只能存1种的信息;但是量子比特(qubit)可以处于这四种情况的叠加态,就可以存储4种信息。类似的,量子信息存储的量就是经典信息的指数倍。

如下图,|a>=|0101>,而|b>=|0101>+|0101>,后者就是4和5的叠加态,其实后者还可以成为更多的态的叠加态,说明了量子态的存储能力的强大。

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2、量子信息可以并行处理。这也是基于叠加态原理,对一个量子信息单元(qubit)做逻辑门操作,其所有的态都在变化,这样就实现了所有的态的统一处理,这是经典计算机所远远达不到的。

如下图,该球(Bloch球)表面的每一点都是|0>和|1>的叠加态(不同点未来在测量的时候坍缩到某一态的概率不同),当我们对量子态进行操作时,它按照量子力学的规律绕某个轴转动,绕不同的轴转动就可以到达球面任意点,这种操作下|0>和|1>是同时变化的,这就是并行处理。

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3、量子信息不可克隆。就是量子信息不能被复制,所以不能像经典计算机有copy的逻辑门的功能。

4、量子信息的测量坍缩。量子信息的测量过程中会以不同的概率坍缩到不同的态,而不是一个确定的结果,而且坍缩之后的量子态不能复原,这也是量子信息不可精确克隆的原因,因为一旦精确克隆,就说明你对它做了测量,然而一旦测量就被破坏,所以也就不能精确克隆了。

前两点是量子信息的优点,是广大科研人员的奋斗动力。

然而,后两点就是量子计算的绊脚石,这两个不同寻常的特点直接导致了量子算法设计的困难,也是量子计算机发展这么慢的主要原因。

了解了这些特点,你一定想知道科学家怎么开始设计量子计算机呢?

其实还是要从经典计算机说起。

经典数字电路的模块如下,由与或非等逻辑门构成:

++UqhEvSy3TnglBMJv9TlGCWE5lv1Kska73ikhKx

然后数字电路集成之后,就可以实现一些简单的功能,比如数码管显示:

K1+nneYkuvLydkZGRkZGRkZHRGtk4ycjAIGE51+C

最后,集成电路的发展就催生了CPU,就是我们现代的经典计算机: