AI公開課：18.05.05 施堯耘(阿里云量子技術(shù)CS)—清華AI第四講之《人工智能與量子計(jì)算》Quantum課堂筆記——帶你了解量子計(jì)算

導(dǎo)讀
清華大學(xué)“人工智能前沿與產(chǎn)業(yè)趨勢”系列講座的第四講。由阿里云量子技術(shù)首席科學(xué)家施堯耘親臨現(xiàn)場，與清華大學(xué)海峽研究院大數(shù)據(jù)AI中心專家委員、百度七劍客之一、酷我音樂創(chuàng)始人雷鳴老師、清華大學(xué)姚期智講座教授段路明教授、昆仲資本創(chuàng)始管理合伙人王鈞老師共同參與，深度探討人工智能時(shí)代量子計(jì)算的技術(shù)產(chǎn)業(yè)和投資的趨勢與機(jī)遇。

感悟：借用雷老師的一句話，“努力的重要程度，有時(shí)候，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如選擇對的方向！”→選擇比努力更加重要！

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目錄

現(xiàn)場圖片

當(dāng)前研究

概念理解

量子計(jì)算簡介

基本原理

What

PK晶體管

About 量子比特

About 量子糾纏

How

For example

Development：世界上第一臺商用量子計(jì)算機(jī)

Conclusion

For you

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現(xiàn)場圖片

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當(dāng)前研究

微軟的Quantum、加拿大量子計(jì)算公司D-Wave、中科大研制出非局域量子模擬器

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概念理解

量子計(jì)算編程語言Q#是微軟量子計(jì)算機(jī)全系統(tǒng)層次Solid的一部分。
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量子計(jì)算簡介

量子計(jì)算是一種遵循量子力學(xué)規(guī)律調(diào)控量子信息單元進(jìn)行計(jì)算的新型計(jì)算模式。對照于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)，其理論模型是通用圖靈機(jī)；通用的量子計(jì)算機(jī)，其理論模型是用量子力學(xué)規(guī)律重新詮釋的通用圖靈機(jī)。從可計(jì)算的問題來看，量子計(jì)算機(jī)只能解決傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)所能解決的問題，但是從計(jì)算的效率上，由于量子力學(xué)疊加性的存在，目前某些已知的量子算法在處理問題時(shí)速度要快于傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)。

? ? ?量子位（qubit）是量子計(jì)算的理論基石。在常規(guī)計(jì)算機(jī)中，信息單元用二進(jìn)制的 1 個(gè)位來表示，它不是處于“ 0” 態(tài)就是處于“ 1” 態(tài). 在二進(jìn)制量子計(jì)算機(jī)中，信息單元稱為量子位，它除了處于“ 0” 態(tài)或“ 1” 態(tài)外，還可處于疊加態(tài)（superposed state）。

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基本原理

量子力學(xué)態(tài)疊加原理使得量子信息單元的狀態(tài)可以處于多種可能性的疊加狀態(tài)，從而導(dǎo)致量子信息處理從效率上相比于經(jīng)典信息處理具有更大潛力。普通計(jì)算機(jī)中的2位寄存器在某一時(shí)間僅能存儲4個(gè)二進(jìn)制數(shù)（00、01、10、11）中的一個(gè)，而量子計(jì)算機(jī)中的2位量子位（qubit）寄存器可同時(shí)存儲這四種狀態(tài)的疊加狀態(tài)。隨著量子比特?cái)?shù)目的增加，對于n個(gè)量子比特而言，量子信息可以處于2種可能狀態(tài)的疊加，配合量子力學(xué)演化的并行性，可以展現(xiàn)比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)更快的處理速度。

What

量子計(jì)算機(jī)依賴出現(xiàn)在自然界的量子力學(xué)現(xiàn)象――基本上是物質(zhì)的兩種重要狀態(tài)，名為疊加（superposition）和糾纏（entanglement）。物質(zhì)的這些狀態(tài)被用于計(jì)算時(shí)，有望提升我們對復(fù)雜數(shù)據(jù)集執(zhí)行計(jì)算的能力。 ?這里的重要區(qū)別在于量子計(jì)算機(jī)不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是依賴晶體管的二進(jìn)制數(shù)字電子計(jì)算機(jī)。

PK晶體管

普通智能手機(jī)里面就有幾十個(gè)晶體管，晶體管可在兩種狀態(tài)之間切換：0或1，即開或關(guān)，從而計(jì)算信息。量子計(jì)算機(jī)并不使用晶體管（或經(jīng)典比特），而是使用量子比特（Qubit）。

About 量子比特

量子比特是量子計(jì)算機(jī)中基本的信息單位。量子比特可能是-1或1，也就是同時(shí)擁有這兩個(gè)值的屬性，這就叫疊加。所以，執(zhí)行計(jì)算方面立即有了更多種可能性。如今市面上最先進(jìn)的量子計(jì)算技術(shù)可以使用多達(dá)1000個(gè)量子比特。

About 量子糾纏

量子比特可以利用一種名為量子糾纏的狀態(tài)；在這種狀態(tài)中，成對或成組的量子粒子連接起來，那樣每個(gè)粒子就無法獨(dú)立于其他粒子來加以描述，即便粒子之間隔著很遠(yuǎn)的距離（比如宇宙的兩端）。愛因斯坦稱之為“遠(yuǎn)距離的幽靈行動(dòng)”（spooky action at a distance），它正是量子傳輸?shù)睦碚摶A(chǔ)。

How

該技術(shù)可以應(yīng)用于似乎有無限變量的行業(yè)問題，那些變量組合構(gòu)成了一系列數(shù)量非常多的潛在解決方案。這些巨大的變量問題通常被稱為優(yōu)化問題。

For example

設(shè)想一下電話簿，然后設(shè)想你要在該電話簿中查詢某個(gè)特定的電話號碼。使用晶體管的經(jīng)典計(jì)算機(jī)會搜索電話簿的每一行，直至找到并返回匹配號碼。相比之下，由于擁有量子比特，量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)評估每一行，并返回結(jié)果，速度比經(jīng)典計(jì)算機(jī)要快得多，因而可以立即搜索整本電話簿。
再比如，為北美的每個(gè)人優(yōu)化每條航線、機(jī)場時(shí)刻表、天氣數(shù)據(jù)、燃料成本和乘客信息等，從而獲得最具有成本效益的解決方案。經(jīng)典計(jì)算機(jī)通常需要幾千年時(shí)間來計(jì)算解決這個(gè)問題的最佳方案。從理論上來說，每臺量子計(jì)算機(jī)的量子比特?cái)?shù)量增加后――這一幕已成為現(xiàn)實(shí)，量子計(jì)算機(jī)就可以在幾小時(shí)內(nèi)或更短時(shí)間內(nèi)完成這項(xiàng)任務(wù)。

Development：世界上第一臺商用量子計(jì)算機(jī)

加拿大量子計(jì)算公司D-Wave于2011年5月11日正式發(fā)布了全球第一款商用型量子計(jì)算機(jī)“D-Wave One”，量子電腦的夢想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——“Yes,you can have one.”。其實(shí)早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一臺商用實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)“Orion”（獵戶座），不過嚴(yán)格來說當(dāng)時(shí)那套系統(tǒng)還算不上真正意義的量子計(jì)算機(jī)，只是能用一些量子力學(xué)方法解決問題的特殊用途機(jī)器。
2017年1月，D-Wave公司推出D-Wave 2000Q，他們聲稱該系統(tǒng)由2000個(gè)qubit構(gòu)成，可以用于求解最優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)安全、機(jī)器學(xué)習(xí)、和采樣等問題。對于一些基準(zhǔn)問題測試，如最優(yōu)化問題和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的采樣問題，D-Wave 2000Q勝過當(dāng)前高度專業(yè)化的算法1000到10000倍。

Conclusion

量子計(jì)算機(jī)依賴量子力學(xué)的基本原理來加快解決復(fù)雜計(jì)算這一過程。這些計(jì)算通常包括看似數(shù)量不可估量的變量，應(yīng)用廣泛，從高級基因組學(xué)到金融等行業(yè)，不一而足。此外，量子計(jì)算機(jī)已經(jīng)在重塑網(wǎng)絡(luò)安全的一些方面，這歸功于它們能夠基于素?cái)?shù)因子分解來破解代碼，以及能夠提供高級的加密形式，以保護(hù)敏感通信。

For you

你需要明白，由于量子比特以及疊加和糾纏現(xiàn)象，量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處理大量計(jì)算任務(wù)，而且速度比傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)快得多。

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其他參考文獻(xiàn)
5分鐘搞懂量子計(jì)算到底是什么鬼東東？

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的AI公开课：18.05.05 施尧耘(阿里云量子技术CS)—清华AI第四讲之《人工智能与量子计算》Quantum课堂笔记——带你了解量子计算的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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