什么是量子计算？

量子计算有望解决我们星球上一些最大的挑战——在环境、农业、健康、能源、气候、材料科学等领域。 对于其中某些问题，随着系统规模的增长，经典计算受到越来越多的挑战。 设计为缩放时，量子系统可能具有超过当今最强大的超级计算机的功能。

本文介绍量子计算的原则、与经典计算的比较方式，以及它如何使用量子力学原理。

量子计算的历史

由于在经典计算机上模拟量子系统比较困难，由此产生了量子计算机的想法。 在 20 世纪 80 年代，Richard Feynman 和 Yuri Manin 分别提出，基于量子现象的硬件在模拟量子系统方面可能比传统计算机更有效。

可以通过多种方法来了解量子力学难以模拟的原因。 最简单的就是看物质在量子层面上有多种可能的构型（称为状态）。

量子状态呈指数级增长

假设电子系统有 40 个可能的位置，其中每个位置可以有或没有电子。 因此，系统可能处于 2^$\mathrm{配}\mathrm{置}\mathrm{中}\mathrm{的}\mathrm{任}\mathrm{何}40$一个（因为每个位置都有两个可能的配置，要么有电子或空）。 若要将电子的量子状态存储在传统计算机内存中，需要超过 130 GB 的内存！ 如果将可能的位置数增加到 41 个，$2^{41}$ 的配置数将达到两倍，这反过来又需要 260 GB 以上的内存来存储量子状态。

这个增加位置数量的游戏不能无限地玩。 在几百个电子处，存储系统所需的内存超过了宇宙中的粒子数量：因此，传统计算机不可能模拟量子动力学。

将困难转化为机会

这种指数增长的观察导致科学家提出了一个强大的问题：我们是否可以使用利用完全相同的物理规律的计算机来模拟量子系统？ 我们能否使用这些机器来调查对我们至关重要的其他任务？ 这些问题导致了量子计算的起源。

1985 年，David Deutsch 表明，量子计算机可以有效地模拟任何物理系统的行为。 此发现首次表明，量子计算机可以用来解决经典计算机难以解决的问题。

1994 年，Peter Shor 发现了一种用于整数因式分解的量子算法，其运行速度比已知最好的经典算法快得多。 因式分解使得破解当今为电子商务提供底层安全性的多种公钥加密系统成为可能，包括 RSA 和椭圆曲线加密。 这一发现引发了人们对量子计算的巨大兴趣，并导致为许多其他问题开发量子算法。

什么是量子比特？

正如位是经典计算中信息的基础对象一样，量子比特（量子位）是量子计算中信息的基础对象。

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。 经典位是二进制位，只能保留 0$\mathrm{或}$1$\mathrm{的}\mathrm{位}\mathrm{置}$，但量子位可以容纳所有可能状态的叠加。 这意味着量子比特可以处于 0、1 或两者的任何量子叠加状态。 0 和 1 有无限可能的叠加，每个叠加都是有效的量子比特状态。

在量子计算中，信息在状态 0 和 1 的叠加中编码。 例如，对于 8 位，可以对 256$\mathrm{个}\mathrm{不}\mathrm{同}\mathrm{的}\mathrm{值}\mathrm{进}\mathrm{行}\mathrm{编}\mathrm{码}$，但必须选择其中一个值进行编码，因为 256 个值不能共存。 使用 8 个量子比特，可以同时对 256 个值进行编码。 此行为是因为量子比特可以叠加所有可能的状态。

有关详细信息，请参阅 量子计算中的量子比特。

构建量子计算机的要求是什么？

量子计算机是一种利用量子力学现象的计算机。 量子计算机使用物质的量子状态来存储和计算信息。 &他们可以引用：程序&商;量子现象执行速度比传统计算机更快或更好。

构建量子计算机是一个复杂的工程挑战，需要深入了解量子力学，以及以最小规模控制量子系统的能力。 构建量子计算机时，必须考虑如何创建量子比特，以及如何存储量子比特、操作量子比特和读取计算结果。

这就是为什么科学家和工程师正在研究不同的量子比特技术来构建量子计算机，因为每个技术都有自己的优点和缺点。 最常用的量子位技术是离子阱量子位、超导量子位和拓扑量子位。 对于某些量子比特存储方法，存储量子比特的装置会存放在接近于绝对零度的地方，以最大限度地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。

量子计算机的五个条件

良好的量子计算机应具有以下五个功能：

1. 可缩放：它可以具有许多量子位。
2. 可初始化：它可以将量子位设置为特定状态（通常为 0 状态）。
3. 可复原：它能让量子位长时间处于叠加状态。
4. 通用：量子计算机不需要执行每个可能的操作，只需执行一组称为通用集的操作。 一 组通用量子运算 使任何其他操作都可以分解为一系列量子运算。
5. 可靠：它可以准确测量量子位。

这五个条件通常被称为量子计算的 Di Vincenzo 条件 。

构建满足这五个条件的设备是人类面临的最苛刻的工程挑战之一。 Azure Quantum 提供各种量子计算解决方案，具有不同的量子比特技术。 有关详细信息，请参阅 Azure Quantum 提供程序的完整列表。

了解量子现象

量子现象是将量子计算与经典计算区分开来的基本原则。 了解这些现象对于掌握量子计算机的运作方式以及为什么它们拥有这种潜力至关重要。 最重要的两个量子现象是叠加和纠缠。

叠加

假设你在客厅锻炼身体。 你一直向左转，然后一直向右转。 现在，同时向左转和向右转。 你无法做到这一点（至少要将自己一分为二）。 显然，你无法同时处于这两种状态，即无法同时向左和向右。

但如果你是量子粒子，由于一种称为叠加（也称为相干性）的现象，你可能具有一定的向左的概率和一定的向右的概率。

只有像离子、电子或超导电路这样的量子系统才能以叠加态存在，从而实现量子计算的能力。 电子等量子粒子具有自身的“朝左或朝右”属性，即 旋转，称为向上或向下，因此电子的量子状态是商的 &叠加：启动"和 "旋转引号&;。

若要了解有关叠加的详细信息和练习，请参阅 培训模块：使用 Q#.

纠缠

纠缠 是两个或多个量子系统之间的量子相关性。 当两个量子比特纠缠时，它们相互关联并共享其状态的信息，以便无法单独描述单个量子比特的量子状态。 使用量子纠缠，你只能知道全局系统的量子状态，而不能知道各个状态。

纠缠的量子系统即使在大距离之间分离时也保持这种相关性。 这意味着，对一个子系统应用的任何操作或过程也会与其他子系统关联。 因此，测量一个量子比特的状态提供有关另一量子比特状态的信息 - 此特定属性在量子计算中非常有用。

若要了解详细信息，请参阅教程：探索量子纠缠，Q#有关实际实现，请查看训练模块：使用纠缠传送量子比特。

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