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什么是量子计算?

这是指利用量子力学在专门的硬件上运行计算。

量子计算简介

若要完整定义量子计算,我们需要首先定义一些关键术语。

什么是量子?

“量子计算”中的量子是指系统用来计算输出的量子力学。在物理学中,量子是所有物理特性的最小离散单元。它通常指原子或亚原子粒子(如电子、中微子和光子)的属性。

什么是量子比特?

量子比特是量子计算中的基本信息单位。量子比特在量子计算中发挥的作用与比特在传统计算中发挥的作用相似,但它们的行为方式却大相径庭。经典比特是二进制,只能存放 0 或 1 位,但量子比特可以存放所有可能状态的叠加。

什么是量子计算?

量子计算机可以利用量子力学的独特行为(如叠加、纠缠和量子干扰)并将其应用于计算。这为传统编程方法引入了新的概念。

叠加

处于叠加态时,量子粒子是所有可能状态的组合。它们会不断波动,直到被观察和测量。要了解二进制位与叠加之间的差异,一种方法是想像一枚硬币。经典比特通过“抛硬币”得到“正面”和“反面”来度量。但如果你能同时看到一枚硬币的正反面,以及正反交替时的每个状态,硬币就处于叠加态。

纠缠

纠缠是量子粒子将其测量结果相互关联的能力。当量子比特相互纠缠时,它们构成一个系统并相互影响。我们可以使用一个量子比特的度量来作出关于其他量子比特的结论。通过在系统中添加和纠缠更多的量子比特,量子计算机可计算指数级的更多信息并解决更复杂的问题。

量子干扰

量子干扰是量子比特固有的行为,由于叠加而影响其坍缩方式的可能性。量子计算机旨在尽可能减少干扰,确保提供最准确的结果。为此,Microsoft 使用拓扑量子比特,通过巧妙地处理其结构,并使用防止量子比特受外部干扰的化合物环绕量子比特,保持其稳定性。

量子计算的工作原理是什么?

量子计算机有三个主要部分:

  • 承载量子比特的区域
  • 用于将信号传输到量子比特的方法
  • 用于运行程序和发送指令的经典计算机

对于某些量子比特存储方法,存储量子比特的装置保持在稍高于绝对值零的温度,以最大程度提高其相干性并减少干扰。其他类型的量子比特装置使用真空室来帮助最大程度地减少振动并使量子比特保持稳定。

可以使用多种方法(包括微波、激光和电压)将信号发送到量子比特。

量子计算机的使用和应用领域

量子计算机不可能在每个方面都比经典计算机快,但在有些领域,量子计算机可能会产生重大影响。

量子模拟

量子计算机在对其他量子系统进行建模时表现非常出色,因为它们在计算中使用了量子现象。这意味着它们可以处理让经典计算机难以应对的系统带来的复杂性和不确定性。可以建模的量子系统示例包括光合作用、超导性和复杂的分子形成。

加密

广泛用于保护数据传输的 Rivest–Shamir–Adleman (RSA) 算法等传统加密面临着整数质因数分解或离散对数等难题。使用量子计算机可更高效地解决其中许多问题。

优化

优化是在给定问题的预期结果和约束条件的情况下找到问题最佳解决方案的过程。在科学和行业领域,关键决策主要是基于成本、质量和生产时间等因素做出的,而这些因素都可以进行优化。通过在经典计算机上运行量子衍生优化算法,可以找到以前无法实现的解决方案。这可以帮助我们找到更好的方法来管理复杂的系统,例如交通流、登机口分配、包裹配送和能源存储。

量子机器学习

经典计算机上的机器学习正在彻底改变科学和商业领域。不过,训练机器学习模型的计算成本高昂,因而限制了该领域的范围和发展。为了加快这一领域的发展,我们正在探索用于设计和实现可加快机器学习速度的量子软件的方法。

搜索

1996 年开发的一种量子算法极大地加速了对非结构化数据搜索的解决方案,与传统算法相比,其搜索步骤更少。

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