量子計算入門-第一部分

本文檔翻譯D-ware公司的《Quantum Computing Primer》，其中存在的不足或錯誤歡迎大家指出。原文出處：https://www.dwavesys.com/tutorials/background-reading-series/quantum-computing-primer#h1-0

本教程旨在介紹在量子計算中使用的概念和術語，提供量子計算機的一個概況，以及你為什么想要進行量子計算編程。

內容

• • 量子計算入門-第一部分
  • 第一部分
    • 1 - 傳統計算
    • 2 - 一種新的計算方式
    • 3 - 電燈開關游戲
    • 4 - 量子力學怎么起作用

本材料使用非常高級的概念進行撰寫，這樣做可以讓技術型讀者和非技術型讀者都可以使用。具有一些物理學、數學和編程背景不是必須的，但是這些有助于理解該文檔出現的概念，

你可以學到什么

通過閱讀本教程中的材料，你將學到：

• 量子力學如何給我們一個新的方法進行計算
• 量子計算和經典計算之間的相似點和不同點
• 量子計算的基本單元（量子比特）是如何被用來解決困難問題的
• 為什么量子計算非常適合人工智能和機器學習應用程序，以及量子計算機如何被用作“AI協處理器”

第一部分

1.1 - 傳統計算

首先考慮傳統計算，這對理解量子計算是有用的。我們對現代數字計算機和它們執行多種不同應用程序的能力已經習以為常。我們的臺式機，筆記本電腦和智能手機可以運行電子表格，視頻直播，讓我們與世界另一端的人聊天，讓我們沉浸在很真實的3D環境中。但是，所有的數字計算機的核心都有共同之處。它們都執行簡單的算術運算。它們做到這些的能力來源于它們極快的速度。計算機每秒執行數十億次運算。這些操作執行得很快，它們允許我們運行非常復雜的高級應用程序。傳統的數字計算可以用圖1所示的圖表來總結。

圖 1 . 傳統計算機中的數據流

盡管傳統計算機擅長很多的任務，但是在一些領域的計算仍然非常困難。這些領域的例子有：圖像識別，自然語言（用自己的語言，而不是編程語言，讓計算機理解我們的意思），以及計算機必須從經驗中學習才做的更好的特定任務。盡管在過去的幾十年里，這個領域已經進行了大量的研究和努力，但我們在這方面的進展還是很緩慢的，我們所做的原型通常需要非常大的超級計算機來運行，消耗了大量的空間和能量。

我們可以問這樣一個問題：這世上是否有根本不同的方法設計計算機系統？如果我們可以從頭開始，做一些完全不同的事情，使得更好地完成對于傳統計算機很難的任務。那么我們將如何著手建立一種新型計算機呢？

1.2 - 一種新的計算方式

傳統的方法把組0和1的位串轉變為另一組，量子計算的方法則截然不同。在量子計算里，一切都是變化的。我們所理解信息比特的物理層和操作它們的設備都是完全不同的。我們制造這種設備的方式是不同的，需要新的材料、新的設計規則和新的處理器架構。最后，我們對這些系統進行編程的方式也是完全不同的。本文檔將探討這些問題中的源頭，就是如何用一種新的信息——量子位——取代傳統的比特（0或1），這樣可以改變我們對計算的思考方式。

1.3 - 電燈開關游戲

在學習量子計算前，理解為什么我們能夠使用傳統計算機解決某些問題也是很重要的。讓我們考慮一個稱之為電燈開關游戲的數學問題，它可以很好說明關鍵所在。

電燈開關游戲涉及試圖在一堆開關中尋找最好的設置。這里的一張圖舉例介紹這個問題：

圖2. 電燈開關游戲

讓我們想象一下，每一個燈的開關有一個數字跟它緊密相關，是給你備選的（你不要去改變這個）。我們叫這個數字是“偏差值”。你要做的是：對每一個燈的開關打開或者關閉進行選擇。在我們的游戲中，打開表示1，關閉表示-1。我們緊接著把所有開關的偏差值乘以對應的打開/關閉的值。這將會產生一個結果。這個游戲的本意是設置所有開關打開關閉狀態以求得最小值。在數學上，我們把每隔開關的偏差值定義為hi

,開關設定稱為 Si

。

圖3. 玩電燈開關游戲，把每個開關的偏差值乘以他們的設定值（你必須選）后加總。

因此，根據我們設置哪個開關為+ 1（打開），設置哪個開關為-1（關閉），我們將得到一個不同的分數。你可以試試這個游戲。希望你會覺得很容易，因為有一條簡單的制勝法則：

圖4. 為這個開關設置的特殊“猜想”作答

我們發現如果我們設置所有帶正偏差值的開關為關閉，將負偏差值的開關打開，然后再加總，我們將得到最小的一個值。容易吧？我可以給你盡可能多的帶不同偏差值的開關，而你只用看把這些開關按這個規則打開關閉即可。

好，我們讓這個問題更難一些。請想像一下有很多成“對”開關有一個附加規則，這里考慮的涉及“一對”開關而不是一個開關。我們增加一個新的偏差值(稱為J

)，我們把它與兩個相連的開關的設置值相乘，對于所有的開關，我們把每對開關的結果值相加。還是一樣，我們需要做的是，如何選擇開關狀態打開或關閉以適應這個新規則。

圖5. 增加依賴于成對開關設定值的附加項使得游戲難度加大

但現在這個是非常、非常難以決定到底是哪個個開關應該打開或者關閉了，因為它鄰近的開關會影響它。甚至簡化到如前圖只有兩個開關的情況，您仍不能使用之前的規則，也就是根據偏差值設置它們為與偏差值符號相反的值（您試試）。在所有開關都有鄰居的復雜網絡面前，讓你找出正確的組合以得到最小值，這一下子就變得很困難了。

圖6. 電燈開關游戲帶有附加規則，產生一張互相作用的電燈開關網

1.4 - 量子力學怎么起作用

每一對開關你若嘗試所有組合，有四種可能性：[開，開]，[開，關]，[關，開]，[關，關]。但隨著您增加越來越多的開關數量，這種可能性的數量將隨著開關數量呈指數增長：

圖7. 電燈開關游戲帶來的指數問題

您應該開始明白為什么這個游戲沒那么好玩了。實際上這個問題甚至對于大多數強大的超級計算機來說都很困難。要把這么多可能的配置存進內存，并把它們送進傳統處理器去計算我們的猜測是否正確，那將花費非常長的時間。假設500個開關，在宇宙中都沒有足夠的時間去檢查所有的配置。

量子力學在此問題能夠助我們一臂之力。量子計算機的基本能力來自于這樣一種想法，就是你能把信息的量子比特放進一個疊加態，你可以想象成這樣的一種情況，量子比特還沒有決定它們所要稱為的吶喊著那個狀態。有人喜歡把這種疊加態視為“同時擁有兩種狀態”。或者你也可以把量子比特的狀態看作未決定是選+1還是-1。這意味著如果使用量子計算機，我們的電燈開關在同一時刻能夠打開和關閉。

圖8. 量子機制的信息比特（Q比特）可以存在于已知的疊加態中，這個疊加態并沒有選擇到底是變成+1或是-1（換句話講，您可以認為它即是+1又是-1）

現在來看一下和之前同樣數目的開關群，但現在送入量子計算機的內存（注意那個偏差值還沒有加上去）。

圖9. 一個由量子比特疊加態組成的網，答案就在這里的某處！

因為所有的電燈開關的打開和關閉是同時，所以我們知道正確答案（正確地打開/關閉每一個開關）就在某個地方出現，它只是現在還躲著我們。但也沒問題，因為量子機制將把它給我們找出來。D-Wave量子計算機允許您用一種這樣的“量子表述”，然后提取出獲得最小值的打開和關閉的配置。下面就是它的工作原理：

圖10. 計算機采用疊加態比特開始計算，結束時產生傳統常態比特流，根據此方法找到答案

你啟動了前面所描述的量子疊加態下的系統，然后您慢慢地調節量子計算機去關閉量子疊加效應。同時，您慢慢調高所有的偏差值（h

和 J的要先調）。當執行了這個操作，所有開關會慢慢跳出它們的疊加態，選擇一個傳統的狀態，即打開或者關閉。最后，每個開關都必須會選擇一個狀態，打開或者關閉。當最后您把它們加總的時候，計算機內部采用的量子機制幫助開關設置到正確的狀態以獲得最小值。盡管 N個開關可能產生 2N

個可能性配置，它也能在結束的時候發現最小值，贏得電燈開關游戲。所以，我們可以知道量子計算機允許我們精簡表達式，如下所示：

?[E(s)=∑ihisi+Jijsisj?]
這對于傳統計算機又是非常困難的（或者說不可能完成） 與50位技術專家面對面20年技術見證，附贈技術全景圖

總結

以上是生活随笔為你收集整理的量子计算入门-第一部分的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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