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【转载】5分钟搞懂量子计算到底是什么鬼东东?  

2017-07-07 17:35:25|  分类: 科技世界 |  标签: |举报 |字号 订阅

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  5分钟搞懂量子计算到底是什么鬼东东? - 真心阳光 - 《真心阳光》博客
  一,首先,弄清楚量子究竟是什么? 

  1900年,普朗克首次提出量子概念,用来解决困惑物理界的“紫外灾难”问题。 

  普朗克假定,光辐射与物质相互作用时其能量不是连续的,而是一份一份的,一份“能量”就是所谓量子。从此“量子论”就宣告诞生。 然而当时的物理界,包括普朗克本人,都讨厌“量子”这个怪物,千方百计想要将它消化在经典物理的世界之中,但却屡试不果。唯有爱因斯坦独具慧眼,他认为光辐射不仅在于与物质相互作用时的能量是一份一份的,光辐射的能量,本身就是“量子化”的,一份能量就是光能量的最小单元,后来称之为“光量子”,或简称“光子”。 

   举一个例子说明“量子”与“经典”的本质区别:经典世界的特点是物体的物理量、状态在某个时刻是完全确定的:晶体管要么导通,要么关闭,完全确定。即经典信息要么是0,要么是1,毫不含糊。但量子世界中,客体的物理量则是不确定的、概率性的,而且这种不确定性与实验技术无关,是量子世界的本质特征,无法消除。这个特征体现在量子力学中重要的量子态叠加原理上。 量子态又称波函数或几率幅,它没有任何经典对应。虽然人们并不喜欢量子世界的这种描述,因为它与我们所熟悉的经典世界截然不同,但一百多年来所有实验都证实了量子力学的所有预言,人们不得不承认这种描述是正确的。 

 

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量子究竟是什么?爱因斯坦幽灵实现超光速通信?量子能将人瞬间转移?薛定谔猫会自然死亡?

二,量子计算机与电子计算机的区别——
     1,电子计算机是依赖晶体管的二进制数字电子计算机。

  首先来看,在经典计算机中,用0和1二进制序列保存数据。0代表低电压信号,1代表高电压信号。抽象的来看,二进制0和1分别代表了系统的两种“状态”。也就是说,我们只要能够找到一个有两个可以区分的状态的系统,就可以抽象的实现计算机的二进制。普通智能手机里面就有几十个晶体管,晶体管可在两种状态之间切换:0或1,即开或关,从而计算信息。

    2, 量子计算机是使用量子比特(Qubit)通过纠缠态实现二进制序列的计算机。

    在量子力学中,我们有很多天然的双态系统来实现这种两个可区分的状态。比如自旋1/2系统,这在量子力学中对应自旋向上/向下两种状态的系统;或者更经典的光子的极化,比如一束光具有不同偏振状态(比如左旋/右旋偏振光)。 我们通过纠缠态实现二进制序列。具体而言,比如某个光子处于态| psi rangle上, 我们可以把这个光子和其它光子纠缠起来得到一个N光子纠缠态 | phi rangle = | psi rangle ^{otimes N},这样我们就实现了一个二进制的序列。

     在这里,量子世界和经典世界出现了不同。在经典世界中,我们只能同时拥有一个状态。比如,如果拥有了001态,就不能同时拥有010态,这是因为两个态的电压会叠加,如果同时拥有这两个态的话我们只能够得到011态。但是在量子世界中,我们可以得到叠加态。具体来说,系统的状态可以同时处于| psi_0rangle= a|001 rangle + b |010 rangle态。其中叠加系数a,b的模方表示我们在测量中得到相应态的概率。比如,我们得到| 001rangle的概率是|a|^2。当然概率归一化要求|a|^2 + |b|^2 =1

我们阐述的态叠加原理会导致什么后果呢?比如我们通过Hadamard门制备了一个态,| psi rangle = frac{1}{sqrt 2} (|0 rangle + |1 rangle)并用这个态制备一个N光子纠缠态| phi rangle = | psi rangle ^{otimes N}, 那么我们看到,这个态就同时处于|000cdots 0 rangle|111cdots 1 rangle的等概率叠加态。(最简单的例子,比如| psi rangle ^{otimes 2} = frac{1}{2} (|0 rangle + |1 rangle ) otimes (|0 rangle + |1 rangle ) = frac{1}{2} (|00 rangle + |01 rangle +|10 rangle+ |11 rangle))

这个事实说明了什么呢?与经典算法不同,我们的操作可以同时对上面的所有态进行。因此,如果我们能够找到一种有效的算法来同时处理这些态,那么我们就能够进行并行计算,因此我们算法的速度比起经典就大大提高了。这个并行与经典的并行算法的区别在于,经典的并行是把任务分成小的部分(比如算一个加法12+34,我们可以同时加十位和加个位最后加上两个结果),量子并行是同时处理了很多不一样的状态(同时计算了12+34,23+45, ...)。

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三,量子比特(Qubit)是什么东东?

量子计算机并不使用晶体管(或经典比特),而是使用量子比特(Qubit)。

  量子比特是量子计算机中基本的信息单位。

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 量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态,换句话讲,它可以同时存储0和1。考虑一个 N个物理比特的存储器,若它是经典存储器,则它只能存储2^N个可能数据当中的任一个,若它是量子存储器,则它可以同时存储2^N次方个数,而且随着 N的增加,其存储信息的能力将指数上升,例如,一个250量子比特的存储器(由250个原子构成)可能存储的数达2^250,比现有已知的宇宙中全部原子数目还要多。
  由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行,因此,量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2^N个输入数进行数学运算。其效果相当于经典计算机要重复实施2^N次操作,或者采用2^N个不同处理器实行并行操作。可见,量子计算机可以节省大量的运算资源(如时间、记忆单元等)。

量子比特可能是-1或1,也就是同时拥有这两个值的属性,这就叫叠加。所以,执行计算方面立即有了更多种可能性。如今市面上最先进的量子计算技术可以使用多达1000个量子比特。

  另外,量子比特可以利用一种名为量子纠缠的状态;在这种状态中,成对或成组的量子粒子连接起来,那样每个粒子就无法独立于其他粒子来加以描述,即便粒子之间隔着很远的距离(比如宇宙的两端)。

  爱因斯坦称之为“远距离的幽灵行动”(spooky action at a distance),它正是量子传输的理论基础。

  这时候你可能想知道,爱因斯坦,那条管子里到底是什么东西?

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 对于我们这些不是量子物理学家的普通人来说,重要的是,由于量子比特以及叠加和纠缠现象,量子计算机可以同时处理大量计算任务,而且速度比传统计算机快得多。

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四,量子算法的基本的原理

   为开拓出量子计算机巨大的并行处理能力,必须寻找适用于这种量子计算的有效算法。 Shor于1994年发现第一个量子算法,它可以有效地用来进行大数因子分解。大数因子分解是现在广泛用于电子银行、网络等领域的公开密钥体系 R SA安全性的依据。采用现有计算机对数 N(二进制长度为 l ogN)做因子分解,其运算步骤(时间)随输入长度( l ogN)指数增长。迄今在实验上被分解的最大数为129位,1994年在世界范围内同时使用1600个工作站花了8个月时间才成功地完成了这个分解。若用同样计算功能来分解250位的数则要用80万年,而对于1000位的数,则要有10^25年。

   而量子计算机采用 Shor算法可以在几分之一秒内实现1000位数的因子分解,而且操作时间仅随输入数的3次方增长。可见 Shor量子算法将这类“难解”问题变成“易解”问题。在量子计算机面前,现有公开密钥 R SA体系将无密可保!  1997年Grover发现了另一种很有用的量子算法——量子搜寻算法,它适用于解决如下问题:从 N个未分类的客体中寻找出某个特定的客体。经典算法只能是一个接一个地搜寻,直到找到所要的客体为止,这种算法平均地讲要寻找 N/2次,成功几率为1/2,而采用Grover的量子算法则只需要 Nkk√次。例如,要从有着100万个号码的电话本中找出某个指定号码,该电话本是以姓名为顺序编排的。经典方法是一个个找,平均要找50万次,才能以 1/2几率找到所要电话号码。 G rover的量子算法是每查询一次可以同时检查所有100万个号码。由于100万量子比特处于叠加态,量子干涉的效应会使前次的结果影响到下一次的量子操作,这种干涉生成的操作运算重复1000(即 N √)次后,获得正确答案的几率为1/2。但若再多重复操作几次,那么找到所需电话号码的几率接近于1。
  Grover算法的用途很广,可以寻找最大值、最小值、平均值等,也可以用于下棋。最有趣的是可有效地攻击密码体系,如 D ES体系,这个问题的实质是从256=7×1016个可能的密钥中寻找一个正确的密钥。若以每秒100万密钥的运算速率操作,经典计算需要1000年,而采用Grover算法的量子计算机则只需小于4分钟的时间。难怪 G rover以“量子力学可以帮助在稻草堆中寻找一根针”这样的题目在 P RL上公布他的算法。

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量子密码就是量子通信吗?量子计算是颠覆性技术量子传感刷新测量技术极限量子计算机研制之路

五,量子计算的实际应用 

  量子计算的罗斯定律就好比半导体处理器领域的摩尔定律。基本上,量子计算机的速度已经变得很快很快。

      首先,不妨来一个思维实验。设想一下电话簿,然后设想你要在该电话簿中查询某个特定的电话号码。使用晶体管的经典计算机会搜索电话簿的每一行,直至找到并返回匹配号码。相比之下,由于拥有量子比特,量子计算机可以同时评估每一行,并返回结果,速度比经典计算机要快得多,因而可以立即搜索整本电话簿。

  因此,该技术可以应用于似乎有无限变量的行业问题,那些变量组合构成了一系列数量非常多的潜在解决方案。这些巨大的变量问题通常被称为优化问题。

  比如说,为每个人优化每条航线、机场时刻表、天气数据、燃料成本和乘客信息等,从而获得最具有成本效益的解决方案。经典计算机通常需要几千年时间来计算解决这个问题的最佳方案。从理论上来说,每台量子计算机的量子比特数量增加后――这一幕已成为现实,量子计算机就可以在几小时内或更短时间内完成这项任务。

   量子通信的优越的保密性能:现代密码学(密码)依赖名为素数因子分解的数学函数。基本上,大数被分解成素数,然后这些素数可以相乘,从而得到大数。经典计算机并不擅长于这方面,要花很长时间才能破解基于素数因子的加密代码。不过你也猜到了,量子计算机确实很擅长于此。

  世界各国政府都在竞相制造能够淘汰所有现代形式的密码的量子计算机。

  为了开发出防止黑客的通信,中国政府最近已将据称是世界上第一颗量子卫星送入轨道。这颗卫星的名字叫“墨子”(Micius)。“墨子”旨在研发出远距离量子加密通信。

                     世界三大著名轻音乐乐团典藏精选 - suny - 雪莲艺术园地  (湘江)編輯 2017-05-04
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