量子運算有望解決我們地球面臨的一些最大挑戰，包括環境、農業、健康、能源、氣候、材料科學等領域。 對於其中一些問題，隨著系統的大小成長，傳統運算越來越受到挑戰。 當設計為調整規模時，量子系統可能會具有超過現今最強大超級計算機的功能。
本文說明量子運算的原則、與傳統運算的比較方式，以及其如何使用量子力學的原則。
量子運算的歷程記錄
原子和分子等量子系統可能很難或不可能在經典計算機上模擬。 在 1980 年代，Richard Feynman 和 Yuri Manin 表示，基於量子現象的硬體在模擬量子系統時，其效率可能會勝過傳統電腦。
量子系統難以在普通計算機上模擬的原因有很多。 一個主要原因是，在量子層面上，物質被描述為同時多種配置（稱為狀態）的組合。
量子態呈指數級增長
考慮一個粒子系統，以及這些粒子可能存在的 40 個可能位置。 系統可能處於 2^$ 種獨特狀態之一，因為每個位置都可以有或沒有粒子。 如果這些是經典粒子，那麼系統總是只處於 2^$ 狀態中的{40}$一種，因此經典計算機只需要 40 位來描述系統的狀態。 但如果這些是量子粒子，那麼系統就以所有 $2^{40}$ 態的組合存在。 經典電腦需要儲存 $2^{40}$ 個數字來描述量子系統，這需要超過 130 GB 的記憶體。 然而，量子計算機只需要 40 個量子位元來描述這個量子系統。
如果我們在系統中添加另一個位置，使電子可以存在於 41 個位置，那麼系統的獨特配置數量就會翻倍，達到 $2^{41}$。 在經典計算機上存儲該量子態需要超過 260 GB 的內存。 我們不能永遠玩這種增加地點數量的遊戲。 要在傳統計算機上存儲量子態，您很快就會超過世界上最強大的機器的內存容量。 在幾百個電子時，存儲系統所需的內存超過了宇宙中的粒子數量。 傳統計算機對於完整模擬大規模系統的量子動力學是毫無希望的！
將危機化為轉機
對這種指數級增長的觀察提出了一個強有力的問題：是否有可能將這種困難轉化為機會？ 如果量子系統很難在普通計算機上模擬，那麼如果我們構建一台使用量子效應進行基本操作的機器會發生什麼？ 我們能否用一台利用完全相同物理定律的機器來模擬量子系統？ 我們能否使用這台機器來研究量子力學之外的其他重要問題？ 這些問題引發了量子信息和量子計算領域。
1985 年時，David Deutsch 展示量子電腦可以有效率地模擬任何物理系統的行為。 這一發現是量子計算機可用於解決經典計算機難以解決的問題的第一個跡象。
1994年，Peter Shor發現了一種量子演算法，可以找到大整數的質因數。 Shor的演算法比這個因式分解問題最著名的經典演算法運行得快得多。 如此快速的演算法可能會破解我們用來保護電子商務交易的許多現代公鑰密碼系統，例如 Rivest-Shamir-Adleman （RSA） 和橢圓曲線密碼學。 這項發現讓眾人對量子運算大感興趣，並發展出了可用於求解其他許多問題的量子演算法。
從那時起，針對經典計算機難以解決的其他問題開發了快速高效的量子計算機算法。 例如，我們現在擁有量子演算法來搜尋無序資料庫、求解線性方程組、執行機器學習以及模擬化學、物理和材料科學中的物理系統。
什麼是量子位元？
正如位元是經典運算中資訊的基本對象一樣，量子位元（量子位元）是量子運算中資訊的基本對象。
量子位元在量子運算中扮演的角色與位元在傳統運算中扮演的角色類似，但量子位元的行為與位元不同。 經典位元是二進位的，在任何給定時間，只能處於兩種狀態之一，0 或 1。 但量子位元可以同時處於 0 和 1 狀態的疊加狀態。 事實上，0 和 1 有無限可能的疊加，每個疊加都是有效的量子位元狀態。
在量子計算中，信息以狀態 0 和 1 的疊加方式編碼。 例如，8 個常規位最多可以編碼 256 個唯一值，但這 8 個位一次只能代表 256 個值中的一個。 使用 8 個量子位元，我們可以同時對所有 256 個值進行編碼，因為量子位元可以處於所有 256 個可能狀態的疊加狀態。
如需詳細資訊，請參閱 量子運算中的量子位。
建置量子計算機的需求為何？
量子電腦利用量子系統和量子力學的性質來解決計算問題。 量子電腦中的系統由量子位元、量子位元之間的互動，以及量子位元上儲存和計算資訊的作業所組成。 我們可以使用量子電腦對量子糾纏和量子干涉等效應進行編程，以比經典電腦更快地準確解決某些問題。
要構建量子計算機，我們需要考慮如何創建和存儲量子比特。 我們還需要考慮如何操縱量子位元以及如何測量我們的計算結果。
流行的量子比特技術包括捕獲離子量子比特、超導量子比特和拓撲量子比特。 對於某些量子位元儲存方法，容納量子位元的單元必須保持在接近絕對零的溫度，以最大化其相干性並減少干擾。 其他裝載量子位元的類型則會使用真空室協助將震動降到最低，並讓量子位元保持穩定。 訊號可以透過各種方法發送到量子位元，例如微波、雷射或電壓。
量子電腦的五個準則
良好的量子電腦應具備下列五個功能：
- 可調整：其可以具有許多量子位元。
- 可初始化：其可以將量子位元設定為特定量子態 (通常是 0 量子態)。
- 復原性：其可以讓量子位元長時間處於疊加態。
- 通用：量子電腦不需要執行每個可能的運算，只需要執行一組稱為通用集的運算。 一 組通用量子作業 可讓任何其他作業分解成一連串的量子作業。
- 可靠：其可以精確地測量量子位元。
這五個準則通常稱為量子計算的 Di Vincenzo 準則 。
建置符合這五個準則的裝置，是人類有史以來最嚴苛的工程挑戰之一。 Azure Quantum 提供各種具有不同量子位技術的量子運算解決方案。 如需詳細資訊，請參閱 Azure Quantum 提供者的完整清單。
瞭解量子現象
量子現像是區別量子運算與傳統運算的基本原則。 瞭解這些現象對於掌握量子計算機的運作方式以及為何擁有這種潛力至關重要。 最重要的兩個量子現象是迭加和糾纏。
疊加
想像一下，你在客廳鍛煉。 你一路向左轉，然後一路向右。 現在，請同時向左和向右轉。 你無法做到這一點（至少不把自己分成兩個）。 顯然，您無法同時處於這兩種狀態， 您無法同時面對左方和向右。
不過，如果您是量子粒子，那麼由於一種稱為疊加（也稱為相干性）的現象，您可以同時有一定機率向左面對和一定機率向右面對。
只有離子、電子或超導電路等量子系統可以存在於啟用量子運算能力的迭加狀態中。 例如，電子是具有自身被稱為「朝左或朝右」屬性的量子粒子，該屬性稱為自旋。 這兩個旋轉狀態稱為啟動和減速，電子的量子狀態是加速和減速狀態的迭加。
如果您想要深入了解並練習迭加，請參閱 訓練課程模組：使用 Q#探索迭加。
糾纏
糾纏 是兩個或多個量子系統之間的量子相互關聯。 當兩個量子位糾纏時，它們會相互關聯並共用其狀態的資訊，讓個別量子位的量子狀態無法獨立描述。 使用量子糾纏時，您只能知道全域系統的量子狀態，而不是個別狀態。
糾纏的量子系統即使在大距離之間分隔時，仍會維持這種相互關聯。 這表示您套用至某個子系統的任何作業或程式也與其他子系統相互關聯。 因此，測量一個量子位的狀態會提供另一個量子位狀態的相關信息，這個特定屬性在量子運算中非常有用。
如果您想要深入瞭解，請參閱教學課程：使用量子糾纏探索Q#，並查看實作範例，參考訓練模組：使用糾纏傳送量子位Q#。