量子计算机是如何工作的

量子计算机正以惊人的速度进入 IT 行业，并极大地推动技术发展。量子计算机的概念基于量子物理学理论。

预计量子计算机将极大地提高计算能力，这意味着一个用普通计算机系统至少需要一年才能解决的计算问题，用量子计算机只需几秒钟就能解决。这就是量子计算的力量。谷歌等一些大品牌已经成功开发并试验了量子计算机。虽然它是一个功能极其强大的计算机系统，但其结构和使用方法都非常复杂。因此，非技术人员将无法操作和理解它。目前，只有研究人员和科学家在使用它。尽管如此，为了构建一个面向未来的引人入胜且强大的计算机系统，相关工作仍在进行中。对这类计算机进行研究是因为它是有史以来最优化、最复杂、最快的计算机系统之一。挑战仍然存在，可能成为未来的障碍，因此还需要在使量子计算机达到最佳版本方面做更多工作。

在这里，我们将讨论量子计算机的工作流程及其应充分理解的关键概念，以了解量子计算机的工作原理。

量子计算机简介

在了解量子计算机的工作原理之前，应该对量子系统有一个简要的介绍。量子计算机是一种计算机系统或设备，用于计算普通计算机系统无法处理或需要数百年才能解决的复杂问题。量子计算机遵循量子物理学理论。量子物理学理论深刻地描述了自然界。这种特性使得量子计算机能够工作并处理复杂问题。到目前为止，我们已经学习并理解了计算机能够以两种二进制位（0 和 1）的形式理解数据。量子计算机也是如此，但量子计算机以量子比特（Qubits，可以是 0 或 1）的形式输入。这意味着它只接受一个值作为输入。因此，在经典计算机系统中，比特是最小的单位，而在量子计算机中，量子比特是数据处理的最小单位。这种差异使得量子计算机的性质和行为更加复杂。

量子计算机的概念

量子计算机依赖于量子计算的概念，而量子计算又基于量子信息科学。基本上，在讨论量子计算机的概念时，应牢记以下基本原理：

因此，关于量子计算机，存在以下关键现象：

1) 量子比特 (Qubits)： 也称为量子位。如上所述，量子比特是量子计算机中的存储单元和数据表示单元。在传统计算机中，它使用比特以 0 和 1 的形式存储和表示数据。在量子计算机中，数据表示为 0 或 1，或者同时表示为 0 和 1。此外，量子比特与比特不同，因为量子比特在被读取之前可以保持在中间状态。量子比特在被测量之前，具有成为 0 和成为 1 的概率。这些量子比特用于表示原子、离子、光子或电子及其相关的控制设备，它们协同工作以充当计算机处理器或计算机内存。

2) 叠加 (Superposition)： 用户提供的数据在量子计算机中以量子比特的形式编码，这些量子比特继承了并行性。由于这种并行性，量子系统能够在一次尝试中进行数百万次计算。

叠加的概念是量子比特的同时定位。这意味着量子比特（0 和 1）是硬币的两面，当抛掷硬币时，会出现任一结果。它可以是 0 或 1。量子比特的默认状态是 0，这意味着它从 0 开始，并在被测量时发生变化。

3) 纠缠 (Entanglement)： 在量子物理学中，存在一个纠缠的概念，没有它，量子比特和叠加就不够强大。量子计算机的真正魔力始于纠缠。'纠缠'一词描述了距离对于量子比特来说并不重要。这意味着量子比特之间的联系非常紧密，以至于即使它们相距很远，也会相互影响。爱因斯坦将量子物理学的这一方面称为“幽灵般的超距作用”。这些量子比特相互依赖。

根据纠缠的原理，当增加量子比特的数量时，这些相关性的数量呈指数增长。例如，对于 n 个量子比特，存在 2ⁿ 个相关性。这使得量子计算机能够解决经典计算机只能寄希望于解决的高度复杂问题。

因此，量子物理学的这三个方面构成了量子计算机的力量。这三者共同完成了量子计算机的工作。

量子计算机的工作原理

量子系统的 B 数据表示单元是量子比特。系统通过在测量对象状态之前确定其状态的概率来执行计算。这些量子比特处于叠加和纠缠状态。为了制造功能性的量子比特，这些系统需要冷却到接近绝对零度。如果量子比特过冷，它们将无法长时间保持其相干性（纠缠状态）。这就是创建额外棘手编程的原因。因此，为了对量子系统进行编程，需要按顺序使用不同类型的逻辑门。但是，这些程序需要执行得非常快，以确保量子比特的相干状态在被测量之前得以保持。量子比特的状态可以用三个轴 x、y 和 z 来表示，其中状态是沿这三个轴的值的组合，即叠加。

因此，当量子比特处于叠加状态时，事件发生 1 或 0 的概率会发生变化。一旦以任何状态读取了量子比特，它就会丢失关于其他状态的信息。例如，如果量子比特的状态被读取为 0，那么它将丢失关于状态为 1 的所有信息。众所周知，量子比特的初始状态是 0。之后，使用 Hadamard 门（一种逻辑门），它被移动到一个中间状态，因此量子比特的状态值有一半时间被读取为 0，另一半时间被读取为 1。其他逻辑门用于在三个轴上以不同量翻转量子比特的状态。有三个轴，其中两个轴是 0 和 1，第三个轴代表相位，并且还提供了额外的可能性来表示信息。您可以在下图中了解量子比特状态的工作原理。

但是，量子比特和叠加的力量如果没有纠缠是不完整的，因为这个概念带来了巨大的潜在收益，例如：

1. 距离不会成为执行操作的障碍。
2. 可以执行庞大且高度复杂的程序，虽然不是对所有问题，但对某些类型的问题是可行的。
3. 创建经典计算机系统难以模拟或看似难以模拟的复杂分子和材料的模型。
4. 在量子系统足够强大以大规模维持量子状态的未来，创新长距离安全通信。

在编程方面，具有纠缠的量子计算机通过 C-NOT 逻辑门开始，该门通常用于在粒子伴侣的值被读取为 1 时翻转纠缠粒子的状态，但它仅在测量时执行。

量子计算机的类型

量子计算机有以下几种类型，这些类型是由 IBM 实现的：

量子退火器 (Quantum Annealer)

它是所有三种量子计算机类型中功能最弱的。然而，它是最容易构建的类型，只能执行一项特定功能。该系统由**D-Wave 9**（一家加拿大公司）开发，但不确定它是否获得了真正的量子特性。2015 年 12 月，谷歌在测试 D-Wave 量子系统后也对其表示赞赏，并表示 D-Wave 系统在测试时解决问题的速度比超级计算机快 3600 倍。尽管如此，量子退火器的优势尚未在与传统计算机的比较中得到证明。

模拟量子计算机 (Analog Quantum)

它比退火器系统更强大，能够（或将能够）模拟可以与任何传统系统交互的复杂量子相互作用。预计模拟量子系统能够容纳 50 到 100 个量子比特。

通用量子计算机 (Universal Quantum)

它是这三种量子计算机中最强大的。由于它是最强大的，所以最难建造。构建强大且足够强大的系统的工程正在进行中。因此，它需要应对某些挑战。根据目前的情况，通用量子计算机将能够容纳 100,000 个物理量子比特。通用量子计算机比普通经典计算机快几个数量级。但是，它需要面对并克服各种挑战。该系统使用量子力学来处理海量数据并以最强大的方式进行计算。

因此，量子计算机的未来非常光明，必将极大地拓展市场。它将能够与人工智能、密码学、机器人技术、制药以及国防协同工作。量子计算机的市场可能达到万亿美元，预计将在通用量子计算机推出市场时实现。尽管如此，量子计算机领域的工作和进展仍在进行中，预计在未来五年内将引领全球潮流。