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量子計(jì)算/量子計(jì)算機(jī)的概念是著名物理學(xué)家費(fèi)曼于1981年首先提出的。
后來(lái)大家試了試才知道，原來(lái)真的可以這么玩。
【費(fèi)曼還首先在Tiny Machine的課堂上首先提出了納米科學(xué)這一個(gè)概念，他課堂的學(xué)生某種意義是人類第一批納米科學(xué)家。然后又一個(gè)新領(lǐng)域誕生了。所以現(xiàn)在美國(guó)的納米科學(xué)領(lǐng)域的獎(jiǎng)叫做費(fèi)曼納米技術(shù)獎(jiǎng)。

類似的，薛定諤有一個(gè)一系列講座叫《What is life》。他在《生命是什么》里用物理思想詮釋了自己對(duì)生命的理解。他把信息、負(fù)熵等思想（食物就是負(fù)熵）引入了生命科學(xué)，然后分子生物學(xué)（生命科學(xué)最重要的領(lǐng)域之一）誕生。】

這些行走在人類能力圈邊緣的天才物理學(xué)家們總是有著這夢(mèng)幻般的的創(chuàng)作力。所思所想皆對(duì)人類做出巨大貢獻(xiàn)。

量子計(jì)算的原理實(shí)際上應(yīng)該分為兩部分。一部分是量子計(jì)算機(jī)的物理原理和物理實(shí)現(xiàn)；另一部分是量子算法。
關(guān)于物理部分，我直接上郭光燦院士的文章吧。他是我國(guó)量子光學(xué)的泰斗級(jí)人物。我自認(rèn)為不會(huì)比他講的更好。
【USTC物理的強(qiáng)大實(shí)力差不多有一半來(lái)自于潘建偉院士和郭光燦院士領(lǐng)導(dǎo)的量子物理領(lǐng)域。郭院士是一位非常和藹的老人。我本科期間還向他請(qǐng)教過(guò)量子物理相關(guān)的問(wèn)題。：）】

量子計(jì)算

量子比特可以制備在兩個(gè)邏輯態(tài)0和1的相干疊加態(tài)，換句話講，它可以同時(shí)存儲(chǔ)0和1。考慮一個(gè) N個(gè)物理比特的存儲(chǔ)器，若它是經(jīng)典存儲(chǔ)器，則它只能存儲(chǔ)2^N個(gè)可能數(shù)據(jù)當(dāng)中的任一個(gè)，若它是量子存儲(chǔ)器，則它可以同時(shí)存儲(chǔ)2^N個(gè)數(shù)，而且隨著 N的增加，其存儲(chǔ)信息的能力將指數(shù)上升，例如，一個(gè)250量子比特的存儲(chǔ)器（由250個(gè)原子構(gòu)成）可能存儲(chǔ)的數(shù)達(dá)2^250,比現(xiàn)有已知的宇宙中全部原子數(shù)目還要多。

　　由于數(shù)學(xué)操作可以同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器中全部的數(shù)據(jù)進(jìn)行，因此，量子計(jì)算機(jī)在實(shí)施一次的運(yùn)算中可以同時(shí)對(duì)2^N個(gè)輸入數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。其效果相當(dāng)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)要重復(fù)實(shí)施2^N次操作，或者采用2^N個(gè)不同處理器實(shí)行并行操作。可見(jiàn)，量子計(jì)算機(jī)可以節(jié)省大量的運(yùn)算資源（如時(shí)間、記憶單元等）。

【這部分就是最基本的原理了。關(guān)于基本原理，IT人士看這段應(yīng)該就夠了。】

為開(kāi)拓出量子計(jì)算機(jī)巨大的并行處理能力，必須尋找適用于這種量子計(jì)算的有效算法。 Shor于1994年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)量子算法，它可以有效地用來(lái)進(jìn)行大數(shù)因子分解。大數(shù)因子分解是現(xiàn)在廣泛用于電子銀行、網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域的公開(kāi)密鑰體系 R SA安全性的依據(jù)。采用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù) N（二進(jìn)制長(zhǎng)度為 l ogN）做因子分解，其運(yùn)算步驟（時(shí)間）隨輸入長(zhǎng)度（ l ogN）指數(shù)增長(zhǎng)。迄今在實(shí)驗(yàn)上被分解的最大數(shù)為129位，1994年在世界范圍內(nèi)同時(shí)使用1600個(gè)工作站花了8個(gè)月時(shí)間才成功地完成了這個(gè)分解。若用同樣計(jì)算功能來(lái)分解250位的數(shù)則要用80萬(wàn)年，而對(duì)于1000位的數(shù)，則要有10^25年。

與此相反，量子計(jì)算機(jī)采用 Shor算法可以在幾分之一秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)1000位數(shù)的因子分解，而且操作時(shí)間僅隨輸入數(shù)的3次方增長(zhǎng)。可見(jiàn) Shor量子算法將這類“難解”問(wèn)題變成“易解”問(wèn)題。在量子計(jì)算機(jī)面前，現(xiàn)有公開(kāi)密鑰 R SA體系將無(wú)密可保！

　　Shor的開(kāi)創(chuàng)性工作有力地刺激了量子計(jì)算機(jī)和量子密碼術(shù)的發(fā)展，成為量子信息科學(xué)發(fā)展的重要里程碑之一。

【第一個(gè)(有實(shí)用價(jià)值的)量子算法。】

1997年Grover發(fā)現(xiàn)了另一種很有用的量子算法，即所謂的量子搜尋算法，它適用于解決如下問(wèn)題：從 N個(gè)未分類的客體中尋找出某個(gè)特定的客體。經(jīng)典算法只能是一個(gè)接一個(gè)地搜尋，直到找到所要的客體為止，這種算法平均地講要尋找 N／2次，成功幾率為1／2,而采用Grover的量子算法則只需要 Nkk√次。例如，要從有著100萬(wàn)個(gè)號(hào)碼的電話本中找出某個(gè)指定號(hào)碼，該電話本是以姓名為順序編排的。經(jīng)典方法是一個(gè)個(gè)找，平均要找50萬(wàn)次，才能以 1／2幾率找到所要電話號(hào)碼。 G rover的量子算法是每查詢一次可以同時(shí)檢查所有100萬(wàn)個(gè)號(hào)碼。由于100萬(wàn)量子比特處于疊加態(tài)，量子干涉的效應(yīng)會(huì)使前次的結(jié)果影響到下一次的量子操作，這種干涉生成的操作運(yùn)算重復(fù)1000（即 N √）次后，獲得正確答案的幾率為1／2。但若再多重復(fù)操作幾次，那么找到所需電話號(hào)碼的幾率接近于1。

　　Grover算法的用途很廣，可以尋找最大值、最小值、平均值等，也可以用于下棋。最有趣的是可有效地攻擊密碼體系，如 D ES體系，這個(gè)問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是從256＝7×1016個(gè)可能的密鑰中尋找一個(gè)正確的密鑰。若以每秒100萬(wàn)密鑰的運(yùn)算速率操作，經(jīng)典計(jì)算需要1000年，而采用Grover算法的量子計(jì)算機(jī)則只需小于4分鐘的時(shí)間。難怪 G rover以“量子力學(xué)可以幫助在稻草堆中尋找一根針”這樣的題目在 P RL上公布他的算法。

【非常有用的Grover搜索算法。】

Feynman最先（1981年）指出，采用經(jīng)典計(jì)算機(jī)不可能以有效方式來(lái)模擬量子系統(tǒng)的演化。我們知道，經(jīng)典計(jì)算機(jī)與量子系統(tǒng)遵從不同的物理規(guī)律，用于描述量子態(tài)演化所需要的經(jīng)典信息量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用來(lái)以同樣精度描述相應(yīng)的經(jīng)典系統(tǒng)所需的經(jīng)典信息量。量子計(jì)算則可以精確而方便地實(shí)現(xiàn)這種模擬。采用少數(shù)量子比特的量子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行有效的量子模擬，事實(shí)上人們已采用這種方法在簡(jiǎn)單情況下預(yù)言了量子體系的行為。

　　一般地說(shuō)，量子模擬可以按下列步驟來(lái)完成：①根據(jù)所研究的量子體系的哈密頓量，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的幺正變換的量子網(wǎng)絡(luò)；②將 N―量子比特按照要求制備為特定初態(tài)；③操作計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬運(yùn)算。計(jì)算機(jī)的終態(tài)就是所需的量子態(tài)。因此，一旦人們有了量子模擬計(jì)算機(jī)，就無(wú)需求解薛定諤方程或者采用蒙特卡羅方法在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上做數(shù)值運(yùn)算，便可精確地研究量子體系的特性。

　　有許多量子體系可以用這種方法來(lái)研究。例如：①高溫高密度等離子體；②采用格點(diǎn)規(guī)范理論描述的體系，如量子色動(dòng)力學(xué)；③晶體固態(tài)模型，包括諸如 H ubbard模型的固體費(fèi)米系統(tǒng)，其量子對(duì)稱性使得它們難以采用蒙特卡羅技術(shù)來(lái)模擬；④固體模型，包括諸如高溫超導(dǎo)體的長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)；⑤分子行為的量子模型等等。

　　然而，量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)在技術(shù)上遇到嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算必須解決三個(gè)方面的問(wèn)題：一是量子算法，它是提高運(yùn)算速度的關(guān)鍵，目前已研究成功 S hor量子并行算法、 G rover量子搜尋算法等；二是量子編碼，它是克服消相干的有效辦法，目前已有量子糾錯(cuò)、量子避錯(cuò)和量子防錯(cuò)三種不同原理；三是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的物理體系（即多個(gè)量子比特的量子邏輯網(wǎng)絡(luò)），目前在腔 Q ED、離子阱、核磁共振、量子點(diǎn)等系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)少數(shù)量子比特，但距實(shí)現(xiàn)有效量子計(jì)算的需求相差甚遠(yuǎn)。各國(guó)科學(xué)家正從不同途徑來(lái)探索實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子邏輯網(wǎng)絡(luò)的方法，雖然不斷取得進(jìn)展，在《自然》、《科學(xué)》上每年都有許多重要進(jìn)展發(fā)表，但仍未根本上突破。這個(gè)領(lǐng)域仍處于基礎(chǔ)性的探索階段。

【上面是技術(shù)上的問(wèn)題。】

最后我覺(jué)得必須要補(bǔ)充的是：人類第一個(gè)商用量子計(jì)算機(jī)Dwave和另一個(gè)非常重要的算法——量子退火（說(shuō)不定是目前為止最重要的量子算法）。
量子退火算法已經(jīng)在超級(jí)計(jì)算機(jī)上被笨拙地模擬過(guò)了，下一步是拿到真正的量子計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。
Google和NASA合建的量子人工智能實(shí)驗(yàn)室用的就是這種計(jì)算機(jī)。
量子退火算法的提出者是西森教授。
【接下來(lái)的兩年里應(yīng)該會(huì)和導(dǎo)師經(jīng)常去拜訪他。：）】

但很可惜的是，Dwave并不是通用型量子計(jì)算機(jī)，只能運(yùn)行量子退火（Quantum Annealing）算法這一種算法而已。因?yàn)樗臉?gòu)造就是為基于量子退火設(shè)計(jì)的，沒(méi)辦法做其他量子計(jì)算。
所以很多人并不覺(jué)得這是真正的量子計(jì)算機(jī)，只認(rèn)為這是一種具有特定計(jì)算功能的量子結(jié)構(gòu)。

不過(guò)量子退火算法實(shí)在是太有用了。所以Dwave還是很有吸引力的。找global minimum是機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域繞不開(kāi)且相當(dāng)費(fèi)時(shí)一個(gè)過(guò)程。而量子退火可以極好地提速。
Quantum annealing (QA) is a general method for finding the global minimum of a given objective function over a given set of candidate solutions (candidate states), by a process using quantum fluctuations.
It is used mainly for problems where the search space is discrete (combinatorial optimization problems) with many local minima; such as finding the ground state of a spin glass employing quantum tunneling (across the barriers separating the global minimum from the local minima or spin configurations).

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量子退火算法是模擬退火算法的進(jìn)階。模擬退火算法用的是熱力學(xué)的退火思想找minimum。而量子退火的中心思想是，量子力學(xué)的隧穿效應(yīng)可以在尋找global minimum的時(shí)候更快地穿過(guò)局域極值點(diǎn)旁的勢(shì)壘。

來(lái)自wiki: 來(lái)自wiki: Quantum annealing

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的通俗易懂量子计算的原理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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