量子计算机设计：介绍

文章：M. di Paolo Emilio

量子计算机利用物理定律，特别是那些研究亚原子粒子的量子力学，在实践中，告诉我们自然是如何运作的。它们的基本单位是量子比特(qubit)，与粒子或原子被发现时的状态有关，其特性允许以更快的速度进行计算。在这一系列的文章中，我们将分析量子计算机的基础，让我们选择一个，为什么不理解设计的技术。请继续关注!

量子计算机的历史

在经典的计算方法中，每个位用0或1(二进制)表示;在量子计算中，量子位元可以同时为0-1或0和1。这要归功于量子态的叠加，它使并行计算(而不是一次一个)成为可能，即使是极其复杂的计算，它的能力和速度也成倍增长，将处理时间从几年减少到几分钟。

量子计算的火花来自理查德·费曼的工作。1981年在麻省理工学院，他提出了一个关于经典计算机不能有效模拟量子系统演化的问题。因此，他提出了量子计算机的基本模型。由此，他勾勒出了以指数方式克服经典计算机的可能性。然而，十多年后，一种特殊的算法才被创造出来，改变了量子计算的前景，即肖尔算法。

1994年，Peter Shor开发了他的算法，以比传统计算机中实现的最佳经典算法更快的速度高效地分解大整数。后者需要数百万年才能计算出300位的数字。使用量子计算机在数小时内解决谜题的能力，而不是数百万年的时间，已经把技术引向了一个新的方向。

1996年，洛夫·格罗弗(Lov Grover)发明了一种量子数据库搜索算法，解决问题的速度比传统计算机快4倍。1997年第一台小型量子计算机建成，但直到2007年加拿大D-Wave公司公布了它的28量子位量子计算机后，该领域才真正起飞。1998年，建造了一台2量子位量子计算机。大约20年后的2017年，IBM推出了第一台商用量子计算机，将竞赛提升到了另一个水平。

有些想要编程的人提供一些公共量子计算机。IBM，Rigetti，Google和IonQ都提供公共访问，并使用开源工具到真正的量子计算硬件。今天，一些工程师也在普通通信系统上工作。这是一个重要的是为了构建互联网的量子版本（图1）。

图1：量子计算的历史

量子力学

量子概念的引入是在研究黑体辐射的背景下产生的，黑体是能够完全吸收入射辐射的理想体。普朗克正在寻找一个物理模型来证明这一现象。他假设辐射和物质之间的相互作用是由有限数量的能量(量子)的转移产生的。阿尔伯特·爱因斯坦随后利用普朗克提出的概念来解释光电效应，即金属表面受到适当频率的电磁辐射时发射电子的现象。

由于光子是不连续的，因此不可能使用经典的确定性理论，而是仅使用概率和统计统计学理论。量子力学提供有关测量给定值的概率的信息，可以解释如下：在处理无限相同的系统中，在所有系统上进行相同的测量，所获得的值的分布以及Wave函数的框架模块描述系统。

在量子计算机中，基本信息的信息是量子位或量子位。为了解释这一新概念，我们必须利用数学符号，称为DIRAC的表示法。通过值0和1描述了经典位的状态，类似地，对于Qubits，使用vector 0和1。位和QUBITS之间的差异在于QUBit也可以在其他状态中找到。虽然经典位对应于两个精确的物理状态，例如0和1，但在Qubit中，不可能精确地测量其量子状态。我们可以联系概率。如果我们从以下公式中考虑系统函数：

其中α和β是系数，并且0和1是qubit向量。我们可以将等于0或等于1的概率相等或等于1;因此，这两个值是概率的幅度。

考虑一个由3位组成的寄存器。有了这个，我们可以表示多达8种不同的可能级别，这是从0到7的数字的二进制表示。让我们考虑一个由3个量子位元组成的量子寄存器。由于量子叠加，它将能够同时包含最多8个数字，量子叠加是通过态的相干叠加实现的。量子比特的这一特性允许具有高计算能力。唯一的问题是，在现实中，我们一次只能测量一个状态，允许我们一次操作更多的量子位元，然后观察结果。另一个问题是在不干扰量子态的情况下操纵这些量子位的可能性。为了解决这个问题，我们可以回到香农的信息理论，插入纠错系统。

在传统计算机中，信息是通过逻辑端口获取的;类似地，我们可以谈论通常控制一个或多个量子位元的量子门。量子计算机的计算能力非常重要，因为它可以解决复杂的科学计算，也可以削弱所有基于当前密码学原理开发的算法，而这些算法往往恰恰基于因式分解的数学问题。

量子计算机使用三个概念。第一个是“量子叠加”，这是基于著名的“活猫死猫”Schrödinger的思想。正如我们所说的，与只能有两种状态的经典比特不同，“量子位”可以是两种状态的组合。例如，谷歌机器有53个量子位，它们可以代表近1000万种可能的叠加状态。

第二个是“纠缠”。它通过时间和空间将量子颗粒结合在一起。在标准计算机中，每个位都严格连接到下一个状态。第三是与我们之前介绍的概率的幅度有关。

量子处理中的量子位是紧密交织在一起的。对重叠和纠缠在一起的量子位的数学运算可以或多或少地同时作用于单个处理过程中的所有量子位。

量子计算机将一个量子位置于一个状态，然后将其与附近的量子位相交。一旦这样做了，它就允许量子物理的规则与随着时间发展的量子位的状态和连接一起工作。最后，同时检测量子位以获得响应。主要的工作是从十亿个错误答案中找到正确答案。

在经典物理学中，概率必须用正数表示。假设降雨的概率是30%量子力学使用了一个相关的概念叫做“振幅”。我们需要确保代表错误答案的振幅相互抵消，而代表正确答案的振幅出现。通过这种方式，开发人员可以用可接受的近似来接近正确的解决方案。

重叠和纠缠是量子力学理论的两个关键概念，并有助于量子计算机的巨大计算能力。叠加的原理提供了浸入磁场中的电子可以具有与场的旋转（在这种情况下，据说电子在旋转状态下或与该领域相对的旋转（电子处于旋转状态。对于量子的规律，粒子也可以处于重叠状态，并且表现得像在旋转状态和旋转状态下一样。如果应用于量子计算，叠加原理建立了Qubit可以同时采用“经典”位的两个状态并同时验证“0”和“1”（图2）。

在缠结中，也称为量子相关，在过去互动的颗粒保持在它们之间的连接（提供它们在完全隔离系统中）。以这种方式，知道粒子的旋转，可以自动知道第二粒子的旋转：如果第一个是旋转，则第二个将自旋转，独立于距离那是划分的。在量子计算中，这允许从系统的一端转移到另一端（但从世界的一端到另一个地区）以实际瞬时的方式（不是偶然地讲的量子传送）。

图2:Qubit，一个量子比特。每一个比特都与电子的极化或自旋状态有关。

作为量子计算基础的规则与经典的规则有很大的不同:

• 不可克隆:量子信息不能绝对保真地复制，因此也不能绝对保真地读取。
• Quantum信息可以用绝对保真度转移，条件是原始在过程中被销毁。
• 对量子系统采取的每一项措施都会破坏大部分信息，使其处于基本状态。
• 即使在某些情况下，通过测量可以准确地知道系统的基本状态，但大多数情况下，我们只能进行概率预测。
• 一些可观察到不能同时为Heisenberg不确定性原理进行精确定义的值：对象的位置和速度不能同时测量，即使理论上也是如此。
• 量子信息可以是，通常是通过物理系统的不同部分之间的非本地相关性编码。在实践中，使用纠缠。

几何解释

一个有用的可视化的量子位可以获得通过几何解释联系的状态，量子位的点在球面上的幺正半径。球体的南极对应于1，北极对应于0。这个球体称为Bloch球体，如图3所示。一个量子位上的许多操作都可以在这个范围内描述。

图3:Bloch球体

在一个量子位的通用状态之间有一个双向匹配:

以及幺正球面上的一点:

其中θ和φ是实数(点的球坐标)。

在一个量子位中，值α和β是复数，这样|α|2 + |β|2 = 1。利用α和β在极坐标下的描述，可以将系统函数写成:

和

我们在极地坐标中发展，我们获得：

随着我们可以在数字θ中编码，任意长度的比特串，可以包含qubit的经典信息似乎是无限的。但是，提取Qubit中包含的信息的唯一方法是通过测量来实现的。

结论

把量子位元描述为二维空间复形的向量在现实世界中是相应的。特别是，任何具有至少两个离散且足够独立的能级的物理系统都是代表量子计算机基础的量子位元的合适人选。三种最常见的方法是基于光子的两种不同偏振;核自旋在均匀磁场中的排列，即电子在单个原子中轨道运行的两个能级。