量子计算机,你为何如此强大？
发布时间：2023-09-07 11:03:19 所属栏目：外闻 来源：网络
导读： 当涉及到量子计算时，人们第一个想到的便是其极快的性能——甚至超出了当前最快的超级电脑。这种技术能够以极为高效的方式解决数百年内无法完成的难题。
量子计算
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当涉及到量子计算时，人们第一个想到的便是其极快的性能——甚至超出了当前最快的超级电脑。这种技术能够以极为高效的方式解决数百年内无法完成的难题。 量子计算之所以可以如此快，其本质在于基层运算逻辑和电子计算机完全不同。 如今我们所处的互联网时代，其底层逻辑都是基于单向运行的二进制来开展的。 传统计算机的核心就是CPU，而CPU的本质就是由无数个晶体管构成的大号控制器，每一个晶体管就像是一个开关，通过开关的打开和闭合表示0和1，而0和1的二进制组合可以表示任何数字，字母以及像素点。所以屏幕上呈现的文字和照片都可以用最基本的0和1的组合表示。 但是0和1的组合是线性过程，要想表示更多的信息，0和1的组合的长度也会更长。 经典的CPU在处理二进制时，一次操作只能处理一次，信息越多，CPU处理的时间就越长。 量子计算机之所以快，是因为不再采用二进制这种看起来简单线性的操作方式，而是采用量子位，也就是量子比特。 可能很多人对量子比特的概念比较陌生，但是经常看我视频的粉丝肯定对量子力学有一定的了解。 量子力学是研究微观世界的一门学科，具体来说，微观世界就是次原子世界，也就是比原子还小的那些粒子构成的时空。 而微观粒子的运动和宏观物体完全不同，微观粒子具有波粒二象性，量子叠加态。 通俗一点说，微观粒子可以同时处于多个位置。而这些位子分布可以弥漫整个宇宙空间，所以微观粒子就特别像是波，而大部分时候波的能量往往会聚集到某一个固定的空间尺度上，从而形成波包，而波包就是我们常常说的粒子状态，如果波包比较分散，这时候微观粒子就更像是一条波。这也就是粒子波粒二象性的体现。 从本质上来说，微观粒子的内在属性就是模糊，不确定的。这种性质也造就了量子叠加的特异现象。 量子叠加就是量子系统的量子态，可以是几种不同量子态中的任何一种，通俗一点来说，一个粒子在测量之前可以处于多种状态，比如电子的自旋，它是内在角动量的表现，未测量之前，电子即可以处于上旋状态，也可以处于下旋状态。而一旦测量电子的自旋，要么就是上旋，要么就是下旋，这时候叠加态就会消失。 量子计算机的本质就是利用微观粒子可以处于叠加态的特性制造的。 然而，微观粒子的量子叠加态很容易受到外界的能量干扰，导致叠加态坍塌，也就是从量子态过渡到经典态，这就是量子退相干。 如果要想量子计算机持续运行，就得一直保证粒子处于叠加态，这就对外界的环境要求极为苛刻。 因此，为了限制外部粒子对量子计算机的影响，人们必须在所搭建的环境中放置“冷藏箱”——一种能够创造出只有略微高于绝对零度的温差的“冷源”设备。 只有这样，粒子的叠加态才能持续维持住！ 我们可以想象一个量子位的自旋叠加态代表0和1，在没有对量子位操作之前，量子位可以处于0和1的任何状态。 其实量子位可以用任何基本粒子来代替，比如，电子，光子，这是因为微观粒子都具有叠加态，用哪一种粒子都无所谓的。但是考虑到粒子的操作难度和制作成本，我们一般采用光子作为量子计算的基础粒子。 在数学上，我们可以将叠加态写成│ψ>，其中psi代表的是波函数，表示量子位的叠加，α平方表示叠加态处于0的概率，β的平方表示叠加态处于1的概率。但不管如何，0或1的总概率必须为100%， 所以α的平方加上β的平方就必须等于1。在经典计算机中的二进制中，如果我们选择α为1的话，那β就必然就为零。反之亦然。 但是在量子计算机中，只要满足α²+β²＝1，α和β就可以在公式成立的前提下，取0到1之间的任何值。比如当α取1/√2，那β的取值也就是1/√2。 正是因为α和β的取值在满足公式的前提下，可以取任何值，所以，理论它们就能处理无数个问题。 比如当输入的量子位为1时，输出对应的一个结果，输入量子位为0的时候，又输出一个结果。除此之外，当输入量子位处于0~1的任何一个数字时，就会输出相对应的结果。所以我们就可以通过量子位的叠加，同时处理介于0到1之间的任何数值的运算。 但要注意，量子计算机在运行的时候是不能测量的，因为测量行为会导致叠加态坍塌，这就会造成一个问题，输出的结果是以概率的形式呈现的。而我们如果要通过量子计算机处理问题，就必须得到确定的，也就是经典的结果。不然的话，量子计算运行的结果就会造成混乱数据的局面。 这就需要量子编程科学家，通过极其复杂且精妙的设计程序，提高精确答案的概率，这就是量子纠错。 那我们应该怎么操作，才能提高量子纠错的能力？ 由于叠加态就和波一样，如果要想获得精确的答案，我们就需要对错误的结果进行破坏性的干扰，有目的且精确的干扰，尽可能排除掉所有的错误项，这样就会提高获得正确答案的概率。 如果量子纠错的能力越强，那么量子计算获得正确答案的概率也就越高，这样一来，量子计算机才能真正步入商业化。目前，全世界范围内已经有不少公司开始研发量子计算机，比如谷歌的fuchsia系统，微软的hololens等等。 （编辑：开发网_开封站长网） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |
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