基于量子計(jì)算機(jī)的原理與應(yīng)用

摘 ?要：文章以基于量子計(jì)算機(jī)的原理與應(yīng)用為研究對(duì)象，首先從“比特”、“量子比特”概念普及入手，分析了量子計(jì)算機(jī)為何具備強(qiáng)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(jì)算機(jī)原理總結(jié)，最后簡(jiǎn)單介紹了量子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，以供參考。

關(guān)鍵詞：量子計(jì)算機(jī);原理;應(yīng)用

前言

量子力學(xué)認(rèn)為，微觀物體可以是一種“似是而非”的狀態(tài)，即一個(gè)原子可以同時(shí)處于兩種狀態(tài)。因此對(duì)于一個(gè)量子比特而言，可以存儲(chǔ)2種狀態(tài)的信息。這使得量子計(jì)算機(jī)性能會(huì)隨著量子比特的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)，而傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能呈線性增長(zhǎng)。總會(huì)有一個(gè)臨界點(diǎn)，促使量子計(jì)算機(jī)計(jì)算性能會(huì)超過(guò)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)。

一、量子計(jì)算機(jī)原理

相較于普通計(jì)算機(jī)而言，量子計(jì)算機(jī)核心特點(diǎn)就在于它是在基于量子力學(xué)規(guī)律的基礎(chǔ)上進(jìn)行高速邏輯計(jì)算的一種裝置，如果某種裝置運(yùn)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(jì)算機(jī)。為了更好的認(rèn)識(shí)量子計(jì)算機(jī)的原理，我們不妨從以下幾方面入手：

首先，我們應(yīng)了解一個(gè)概念：什么是“比特”？計(jì)算機(jī)在實(shí)際進(jìn)行信息處理時(shí)，主要通過(guò)控制計(jì)算機(jī)晶體管高低電平來(lái)實(shí)現(xiàn)。眾所周知，計(jì)算機(jī)通過(guò)二進(jìn)制“1”和“0”來(lái)進(jìn)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(jìn)制信息，事實(shí)上就是計(jì)算機(jī)信息存儲(chǔ)的過(guò)程。而每個(gè)“1”或“0”就是一個(gè)“比特”，這是計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)最小的單位。也就是說(shuō)，在同一個(gè)時(shí)間維度里，一個(gè)比特只能代表一個(gè)確定的信息。普通計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息存儲(chǔ)時(shí)，假如我們想要保存一組“00”、“10”“01”“11”四個(gè)信息，需要占用8個(gè)比特來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在量子計(jì)算機(jī)中，雖然“比特”本身的含義沒(méi)變，一個(gè)比特依然只能代表一個(gè)信息，即“0”或“1”，但最大的變化在于，量子計(jì)算機(jī)中的比特（以下簡(jiǎn)稱量子比特）是處于量子疊加的一個(gè)信息單位。通俗來(lái)說(shuō)，量子比特沒(méi)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(quán)重疊加起來(lái)的狀態(tài)上，這便是量子世界獨(dú)有的量子態(tài)疊加原理，同時(shí)也是量子比特的特別之處。基于這一特點(diǎn)，我們能夠認(rèn)識(shí)到，量子比特能夠同時(shí)保存“1”或“0”兩個(gè)信息，那么上述舉例普通計(jì)算機(jī)需要8個(gè)比特才能保存的信息，兩個(gè)量子比特就可以完成保存。如此一來(lái)，量子計(jì)算機(jī)的信息存儲(chǔ)能力將會(huì)得到空前的增強(qiáng)。比如在普通計(jì)算機(jī)中，保存n個(gè)單位信息需要n個(gè)比特，那么同樣是n個(gè)量子比特，我們可以保存2n個(gè)信息。

另一方面，量子計(jì)算機(jī)有了強(qiáng)大的信息存儲(chǔ)能力，那么該如何對(duì)這些信息進(jìn)行集中處理呢？我們不妨先了解下普通計(jì)算機(jī)如何進(jìn)行信息處理：當(dāng)下普通計(jì)算機(jī)最為高效的信息處理方法是“并行計(jì)算”算法，該算法顧名思義，就是能夠同時(shí)處理多個(gè)比特的信息，對(duì)應(yīng)的還有“串行計(jì)算”算法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是單個(gè)進(jìn)行信息處理。并行計(jì)算算法信息處理雖然效率更高，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)也非常困難。而量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際進(jìn)行信息處理時(shí)，采用的也是類似于普通計(jì)算機(jī)高效信息處理算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)算機(jī)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(gè)信息時(shí)，普通計(jì)算機(jī)的并行處理算法每次只能處理四個(gè)信息中的其中一個(gè)，而基于量子比特的并行處理算法則能夠同時(shí)處理上述四個(gè)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(gè)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(guò)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(zhì)波的影響，它出現(xiàn)的位置可以說(shuō)是自身附近的任何一處地方，在開(kāi)始時(shí)，我們先向某個(gè)量子施加一個(gè)擾動(dòng)，這個(gè)過(guò)程類似于某金屬物體在退火時(shí)突然再次升高溫度，那么受此次擾動(dòng)影響，產(chǎn)生的新的數(shù)值必然會(huì)與原本數(shù)值有所不同，那么量子計(jì)算機(jī)就會(huì)對(duì)這兩個(gè)值進(jìn)行比較，選擇其中最優(yōu)值，通過(guò)不斷的進(jìn)行“擾動(dòng)”，隨著擾動(dòng)次數(shù)的增加，必然會(huì)出現(xiàn)更優(yōu)的數(shù)值，并且通過(guò)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(shí)量子會(huì)恢復(fù)至最初的穩(wěn)定狀態(tài)，這就類似于金屬物體完成退火過(guò)程，逐漸恢復(fù)至室溫。在上述計(jì)算過(guò)程中，我們可以改動(dòng)這個(gè)擾動(dòng)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(jì)算機(jī)信息處理過(guò)程。

總體而言，“量子退火算法”優(yōu)勢(shì)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(jì)算結(jié)果即可。普通計(jì)算機(jī)在通過(guò)計(jì)算尋找最優(yōu)解時(shí)，通常受初始設(shè)置數(shù)值區(qū)間影響，往往會(huì)被困在自己設(shè)置的數(shù)值區(qū)間內(nèi)，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(shè)置的區(qū)間，進(jìn)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(jì)算機(jī)能夠同時(shí)在多個(gè)值域上多個(gè)位置搜尋最優(yōu)解，因此實(shí)際查找效率也會(huì)得到顯著的提高，從而大大提升了量子計(jì)算機(jī)信息處理效率與運(yùn)算能力。

二、量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用

通過(guò)上文敘述我們可知，量子計(jì)算機(jī)整體性能方面相較于普通計(jì)算機(jī)有著非常顯著的優(yōu)越性，但從當(dāng)下量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，受客觀的技術(shù)水平限制，依然很難達(dá)到預(yù)想中量子計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算性能。當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)存在的最大問(wèn)題便是無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)“量子計(jì)算”的穩(wěn)定性控制，通過(guò)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(dāng)下的技術(shù)水平無(wú)法對(duì)量子這種“不可控”性進(jìn)行有效的控制，從而直接導(dǎo)致量子計(jì)算機(jī)在計(jì)算精度方面，明顯遜色于普通的計(jì)算機(jī)。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(kāi)的量子計(jì)算機(jī)大比拼過(guò)程中，兩家開(kāi)發(fā)的量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算準(zhǔn)確率僅有35%與77%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通計(jì)算機(jī)計(jì)算準(zhǔn)確率。這還僅僅是在只有5個(gè)量子比特的情況下，如果采用成千上萬(wàn)個(gè)量子比特進(jìn)行信息處理，那么以現(xiàn)在的技術(shù)水平，量子計(jì)算機(jī)恐怕無(wú)法得出準(zhǔn)確的結(jié)果。總體而言，當(dāng)前5個(gè)量子比特的量子計(jì)算機(jī)在實(shí)際計(jì)算應(yīng)用方面性能仍不如普通計(jì)算機(jī)，量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用依然有很長(zhǎng)一段路要走。

總結(jié)：

綜上所述，量子計(jì)算機(jī)作為一種當(dāng)下最為先進(jìn)的計(jì)算機(jī)，在理論上整體性能要由于普通計(jì)算機(jī)，但從當(dāng)前量子計(jì)算機(jī)實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，受當(dāng)下技術(shù)條件限制，想要實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用依然任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：黃思銳，1994.12，男，漢族，廣東惠州，碩士，量子計(jì)算機(jī)。