什麼是量子運算?

使用量子機制在特殊硬體上執行計算。

量子運算簡介

為了完整定義量子運算,我們必須先定義一些重要用語。

什麼是量子?

「量子運算」中的量子指的是系統用來計算輸出的量子機制。在物理學中,量子是任何物理特性的最小可能離散單位。這通常是指原子或次原子粒子的特性,例如電子、微中子和光子。

什麼是量子位元?

量子位元是量子運算中的基本資訊單位。量子位元在量子運算中所扮演的角色,與位元在傳統運算中所扮演的角色很類似,但其行為大不相同。傳統位元為二元,只能處於 0 或 1 的位置,但量子位元則可以處於所有可能狀態的疊加。

什麼是量子運算?

量子電腦善用量子物理學的獨特行為 (例如疊加、糾纏和量子干涉),並將其套用至運算。這會為傳統程式設計方法引進新的概念。

疊加

在疊加中,量子粒子是所有可能狀態的組合。其會不斷變化,直到受到觀察並測量出結果為止。其中一種區分二元位置和疊加的方式就是想像一枚硬幣。傳統位元是以「翻轉硬幣」的方式來測量,並取得正面或反面的結果。不過,如果您能夠同時看到同一枚硬幣的正反面,以及翻轉之間的所有狀態,該枚硬幣就是處於疊加狀態。

糾纏

糾纏是量子粒子讓其測量結果彼此相互關聯的能力。當量子位元彼此糾纏時,會形成單一系統並相互影響。我們可以使用一個量子位元的量值,繪製其他量子位元的結論。藉由在系統中加入及糾纏更多量子位元,量子電腦就能指數性地計算更多資訊,並解決更複雜的問題。

量子干涉

量子干涉是量子位元因為疊加而導致的固有行為,進而影響量子位元的塌縮與否。量子電腦是專門設計和建置來盡可能減少干涉並確保最精確的結果。為了達成目的,Microsoft 使用拓撲量子位元,藉由操作其結構,並以化合物環繞四周保護其免於外界干擾,以保持穩定。

量子運算如何運作?

A quantum computer has three primary parts:

  • An area that houses the qubits
  • A method for transferring signals to the qubits
  • A classical computer to run a program and send instructions

For some methods of qubit storage, the unit that houses the qubits is kept at a temperature just above absolute zero to maximize their coherence and reduce interference. Other types of qubit housing use a vacuum chamber to help minimize vibrations and stabilize the qubits.

Signals can be sent to the qubits using a variety of methods, including microwaves, laser, and voltage.

量子電腦的使用及應用領域

量子電腦無法在執行所有工作的速度上都快於傳統電腦,但量子電腦有潛力能在幾個領域造成重大影響。

量子模擬

由於量子電腦會在其計算中使用量子現象,因此非常適合用來建立其他量子系統的模型。這表示量子電腦可以處理系統的複雜性和不明確問題,這些問題會導致傳統電腦超載。我們可以建立模型的量子系統範例包括光合作用、超導體和複雜分子的構造。

加密

傳統加密 (例如廣泛用來保護資料傳輸的 Rivest-Shamir-Adleman (RSA) 演算法) 會依賴整數分解或離散對數等難以解決的問題。使用量子電腦可以更有效率地解決許多這類問題。

最佳化

最佳化是針對問題指定之所需結果和約束條件,找出最佳解決方案的過程。在科學與工業中,經常依據成本、品質和生產時間等因素做出重大決策,而這些因素全都可以進行最佳化。藉由在傳統電腦上執行量子啟發最佳化演算法,我們可以找到先前不可能得出的解決方案。這可協助我們發掘更好的方式來管理複雜系統,例如交通流量、登機門指派、包裹遞送及能源儲存。

量子機器學習

在傳統電腦上進行機器學習徹底改變了科學與商業界。不過,訓練機器學習模型的計算成本很高,因而阻礙了開發的範圍和領域。為了加速這方面的進展,我們將探索如何設計及實作量子軟體,才能讓機器學習速度更快。

搜尋

1996 年所開發的量子演算法大幅加速了非結構化資料搜尋解決方案,能以比任何傳統演算法更少的步驟來執行搜尋。

Azure Quantum 資源

立即建置量子解決方案,成為完整堆疊開放式雲端生態系統 Azure Quantum Preview 的早期採用者。存取軟體、硬體和預先建置的解決方案,並開始在受信任、可調整且安全的平台上進行開發。