基于量子計算機的原理與應用

摘 ?要：文章以基于量子計算機的原理與應用為研究對象，首先從“比特”、“量子比特”概念普及入手，分析了量子計算機為何具備強大的信息處理能力，隨后介紹了“量子退火算法”，以此完成了量子計算機原理總結，最后簡單介紹了量子計算機的應用，以供參考。

關鍵詞：量子計算機;原理;應用

前言

量子力學認為，微觀物體可以是一種“似是而非”的狀態(tài)，即一個原子可以同時處于兩種狀態(tài)。因此對于一個量子比特而言，可以存儲2種狀態(tài)的信息。這使得量子計算機性能會隨著量子比特的增加呈指數(shù)增長，而傳統(tǒng)計算機只能呈線性增長。總會有一個臨界點，促使量子計算機計算性能會超過傳統(tǒng)計算機。

一、量子計算機原理

相較于普通計算機而言，量子計算機核心特點就在于它是在基于量子力學規(guī)律的基礎上進行高速邏輯計算的一種裝置，如果某種裝置運行的是量子算法，處理的是量子信息，那么我們就可以稱之為量子計算機。為了更好的認識量子計算機的原理，我們不妨從以下幾方面入手：

首先，我們應了解一個概念：什么是“比特”？計算機在實際進行信息處理時，主要通過控制計算機晶體管高低電平來實現(xiàn)。眾所周知，計算機通過二進制“1”和“0”來進行信息處理，而“1”代表的是高電平，“0”代表的是“低電平”，連續(xù)保存一系列二進制信息，事實上就是計算機信息存儲的過程。而每個“1”或“0”就是一個“比特”，這是計算機數(shù)據(jù)存儲最小的單位。也就是說，在同一個時間維度里，一個比特只能代表一個確定的信息。普通計算機進行信息存儲時，假如我們想要保存一組“00”、“10”“01”“11”四個信息，需要占用8個比特來實現(xiàn)。而在量子計算機中，雖然“比特”本身的含義沒變，一個比特依然只能代表一個信息，即“0”或“1”，但最大的變化在于，量子計算機中的比特（以下簡稱量子比特）是處于量子疊加的一個信息單位。通俗來說，量子比特沒有確定具體的信息狀態(tài)，它可能是“1”，也可能是“0”，具體代表的是這兩種確定態(tài)按照某種權重疊加起來的狀態(tài)上，這便是量子世界獨有的量子態(tài)疊加原理，同時也是量子比特的特別之處。基于這一特點，我們能夠認識到，量子比特能夠同時保存“1”或“0”兩個信息，那么上述舉例普通計算機需要8個比特才能保存的信息，兩個量子比特就可以完成保存。如此一來，量子計算機的信息存儲能力將會得到空前的增強。比如在普通計算機中，保存n個單位信息需要n個比特，那么同樣是n個量子比特，我們可以保存2n個信息。

另一方面，量子計算機有了強大的信息存儲能力，那么該如何對這些信息進行集中處理呢？我們不妨先了解下普通計算機如何進行信息處理：當下普通計算機最為高效的信息處理方法是“并行計算”算法，該算法顧名思義，就是能夠同時處理多個比特的信息，對應的還有“串行計算”算法，簡單來說就是單個進行信息處理。并行計算算法信息處理雖然效率更高，但實現(xiàn)起來也非常困難。而量子計算機在實際進行信息處理時，采用的也是類似于普通計算機高效信息處理算法，實現(xiàn)對量子比特信息的并行處理。但這種基于量子比特的并行處理算法與普通計算機的并行處理算法仍有明顯的差異。例如在處理“00”、“10”“01”“11”這四個信息時，普通計算機的并行處理算法每次只能處理四個信息中的其中一個，而基于量子比特的并行處理算法則能夠同時處理上述四個信息，這種量子并行算法比較典型的代表是“量子退火算法”，該算法名字中的“退火”原意是指：將某個物體（一般是金屬物體）加熱至發(fā)光狀態(tài)后，然后任其在室溫狀態(tài)下慢慢冷卻，最終溫度與室溫相同，這一過程我們稱之為“退火”。而量子退火算法我們可以理解為：量子受物質波的影響，它出現(xiàn)的位置可以說是自身附近的任何一處地方，在開始時，我們先向某個量子施加一個擾動，這個過程類似于某金屬物體在退火時突然再次升高溫度，那么受此次擾動影響，產(chǎn)生的新的數(shù)值必然會與原本數(shù)值有所不同，那么量子計算機就會對這兩個值進行比較，選擇其中最優(yōu)值，通過不斷的進行“擾動”，隨著擾動次數(shù)的增加，必然會出現(xiàn)更優(yōu)的數(shù)值，并且通過擇優(yōu)選擇使其最終不斷接近“理想值”，最終找出“最優(yōu)解”。此時量子會恢復至最初的穩(wěn)定狀態(tài)，這就類似于金屬物體完成退火過程，逐漸恢復至室溫。在上述計算過程中，我們可以改動這個擾動的幅度，類似于變更退火的溫度，從而促使量子出現(xiàn)在最有可能出現(xiàn)最優(yōu)解的地方，最終完成量子計算機信息處理過程。

總體而言，“量子退火算法”優(yōu)勢在于，充分利用自然規(guī)律，自主尋找最優(yōu)答案，而我們只需要等待最優(yōu)的計算結果即可。普通計算機在通過計算尋找最優(yōu)解時，通常受初始設置數(shù)值區(qū)間影響，往往會被困在自己設置的數(shù)值區(qū)間內，得出有可能不是“最優(yōu)解”，而“量子退火算法”則不同，得益于量子的特性，能夠有一定概率跳出初始設置的區(qū)間，進而不斷接近真正的最優(yōu)解。不僅如此，由于受量子疊加態(tài)的影響，量子計算機能夠同時在多個值域上多個位置搜尋最優(yōu)解，因此實際查找效率也會得到顯著的提高，從而大大提升了量子計算機信息處理效率與運算能力。

二、量子計算機應用

通過上文敘述我們可知，量子計算機整體性能方面相較于普通計算機有著非常顯著的優(yōu)越性，但從當下量子計算機實際應用來看，受客觀的技術水平限制，依然很難達到預想中量子計算機強大的計算性能。當前量子計算機存在的最大問題便是無法實現(xiàn)對“量子計算”的穩(wěn)定性控制，通過上文敘述我們可知，正是由于量子的“不可控”性，能夠幫助我們尋找最優(yōu)解，但我們當下的技術水平無法對量子這種“不可控”性進行有效的控制，從而直接導致量子計算機在計算精度方面，明顯遜色于普通的計算機。比如全球知名量子初創(chuàng)公司ionQ公司與IBM公司在一次公開的量子計算機大比拼過程中，兩家開發(fā)的量子計算機運算準確率僅有35%與77%，遠遠低于普通計算機計算準確率。這還僅僅是在只有5個量子比特的情況下，如果采用成千上萬個量子比特進行信息處理，那么以現(xiàn)在的技術水平，量子計算機恐怕無法得出準確的結果?？傮w而言，當前5個量子比特的量子計算機在實際計算應用方面性能仍不如普通計算機，量子計算機實現(xiàn)廣泛應用依然有很長一段路要走。

總結：

綜上所述，量子計算機作為一種當下最為先進的計算機，在理論上整體性能要由于普通計算機，但從當前量子計算機實際應用來看，受當下技術條件限制，想要實現(xiàn)廣泛應用依然任重而道遠。

參考文獻

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[2] ?章巖扉. 量子計算機的原理、發(fā)展及應用[J]. 內燃機與配件，2018（7）：230-231.

作者簡介：黃思銳，1994.12，男，漢族，廣東惠州，碩士，量子計算機。