什么是量子计算机(量子计算机是什么啊？)
量子计算机是什么啊？
量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。
当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。
量子计算机的硬件组成和经典计算机有什么区别
不是
什么是量子计算机？用一个简单例子来解释
专注技术•分享干货•精进思想
Hi，大家好！
不久前，我参观了加拿大温哥华的D-WaveSystems公司，这是一家制造前沿量子计算机的公司。
我在那里学到了很多关于量子计算机的知识，所以我写这篇文章来和大家分享我在那里所学到的一些知识。
本文的目的是通过一个简单的例子让你清楚地了解什么是量子计算机。
本文所讲的内容很容易理解，不要求你具备量子物理或计算机科学的知识。
好了，我们开始吧。
下面用一句话来概括什么是量子计算机：
量子计算机是一种使用量子力学的计算机，它能比普通计算机更高效地执行某些特定的计算。
这句话有很多东西需要解释，所以让我用一个简单的例子来告诉你它到底是什么。
为了解释什么是量子计算机，我首先需要解释一下普通（非量子）计算机。
目前一台普通的计算机是用一系列的0和1来存储信息的。
不同类型的信息，比如数字、文本和图像都可能用这种方式来表示。
0和1系列中的每个单位被称为比特（bit，中文也叫位），因此一比特可以被设置为0或1。
量子计算机并不是用比特来存储信息的，而是用一种叫量子比特(qubit，quantumbit的简写，中文也叫量子位)的东西。
每个量子比特不仅能设置为1或0，还可以设置为1和0。但，这究竟是什么意思呢？
让我来用一个简单的例子来解释一下。这是一个拟人的例子，但它依然可以帮助理解量子机算机如何工作。
现在，假设你现在经营一家旅行社，你需要把一群人从一个地方运送到另一个地方。
为了简单起见，不妨假设你现在需要运送的只有3人——Alice，Becky和Chris。
并且假设你为此预定了2辆出租车，你得分清楚谁乘坐哪一辆出租车。
另外，你知道谁和谁是朋友关系，谁和谁是敌人关系。
这里，我们认为她们的关系是这样的：
◇Alice和Becky是朋友◇Alice和Chris是敌人◇Becky和Chris是敌人
现在你要将这3个人分配到2辆出租车，并要达到下面的目标：
◇最大化共用一辆车的朋友对数◇最小化共用一辆车的敌人对数
译注：朋友/敌人的对数，这里的“对”是单位，不是指数学中的对数。比如“一对”就是两人的意思。
好了，这是这个问题的基本前提。让我们先来思考一下如何用普通计算机解决这个问题。
为了用普通的非量子计算机来解决这个问题，你首先需要弄清楚如何用比特存储相关的信息。
我们先标识这两辆出租车为出租车#1和出租车#0。
然后，你可以用3个比特表示谁进入哪辆车。
例如，我们可用0和1来表示：
◇Alice乘坐出租车#0◇Becky乘坐出租车#0◇Chris乘坐出租车#1
由于每个人都有两个选择，因此有2*2*2=8种组合来把她们分配给两辆车。下面是所有可能的组合：
你可以用3个比特来表示这些组合中的任意一个。
现在，用普通计算机我们如何来判断哪一个组合是最佳组合呢？为此，让我们来定义如何计算每个组合的得分。这个得分将代表每个组合达到前面提到的两个目标的程度：
◇最大化共用一辆车的朋友对数◇最小化共用一辆车的敌人对数
让我们简单地这样定义我们的分数：
(给定组合的得分)=(#共用一辆车的朋友对数)-(#共用一辆车的敌人对数)
例如，假设Alice，Becky和Chris都乘坐出租车#0，可以用3个比特表示为111。
在这种情况下，只有一对朋友共用一辆车——Alice和Becky。
然而，有两对敌人共用一辆车——Alice和Chris，Becky和Chris。
所以，这个组合的总分是1-2=-1。
有了所有这些预设，我们终于可以着手解决这个问题了。
对于一台普通的计算机，要找到最好的组合，你基本上需要遍历所有的组合，看看哪个得分最高。
你可以构建这样一个表格：
如你所见，这里有两个正确的组合——001和110，都达到了1分。
这是个相当简单的问题。然而随着越来越多的人参与到这个问题中来，用一台普通计算机就很难解决这个问题。
我们看到，3个人需要遍历8种可能的组合。
如果有4个人呢？在这种情况下，我们需要遍历2*2*2*2=16个组合。
对于n个人，我们需要通过2的n次方个组合来找到最佳组合。
所以，如果有100个人，我们需要遍历：
2¹⁰⁰~=10³⁰=一百万百万百万百万百万个组合。
要遍历这么多的组合，对普通计算机来说是不现实的。
我们如何用量子计算机来解决这个问题呢？
让我们回到把3个人分配给2辆出租车的例子。
正如我们前面看到的，这个问题有8种可能的组合：
用一台普通计算机，用3个比特，我们一次只能表示其中一个组合——例如001。
然而，使用量子计算机，3个量子比特可以同时表示所有8个组合。
关于这个量子比特词的确切含义存在争议，但我的看法是这样的。
首先，检查这3个量子比特中的第一个量子比特。当你同时将它设置为0和1时，就像是创建了两个平行世界。（是的，很奇怪，但随我看下去。）
译注：一个世界相当于一个普通计算机，理解这点很重要。
在平行世界中，其中一个的量子比特被设置为0，另一个的量子比特被设置为1。
现在，如果你把第二个量子比特也设为0和1呢？然后，这就有点像创造了4个平行世界了。
在第一世界中，两个量子比特被设置为00，第二个是01，第三个是10，第四个是11。
类似地，如果你将这三个量子比特都设置为0和1，你就创建了8个平行世界——000，001，010，011，100，101，110和111。
这是一种奇怪的思考方式，但它是解释量子比特在现实世界中的行为的正确方式之一。
现在，当你对这三个量子比特进行某种计算时，你实际上是在同时对这8个平行世界进行同样的计算。
因此，我们可以同时计算所有组合的分数，而不是按顺序遍历所有这些可能的组合。
有了这个特殊的例子，理论上，你的量子计算机可以在几毫秒内找到最好的组合，即我们之前看到的001或110：
实际上，要解决这个问题，你需要让你的量子计算机做两件事情：
◇所有可能的组合都用量子比特表示。◇将每个可能的组合转换成分数的函数。在本例中，这个函数计算共用一辆车的朋友对数和敌人对数。
能做这两件事，你的量子计算机将在几毫秒内得出最好的组合。在本例中，最好的组合是分数为1的001或110。
现在，从理论上讲，量子计算机每次运行都能找到最好的解。
然而，实际上，在运行量子计算机时会存在错误。所以，它可能会找到次优解，第三优解，等等。
随着问题变得越来越复杂，这些错误会变得越来越突出。
因此，在实践中，你可能希望在量子计算机上数十次甚至数百次地运行相同的操作，然后从你得到的结果中选出最好的。
即使有我提到的错误，量子计算机也没有和普通计算机那样的计算规模问题。
当有3个人需要分配给2辆车时，我们需要在量子计算机上执行的操作次数是1。这是因为量子计算机会同时计算所有组合的分数。
当有4个人的时候，操作次数仍然是1。
当有100人的时候，操作次数仍然是1。量子计算机在同一时间计算所有2¹⁰⁰~=10³⁰=一百万百万百万百万百万个组合的分数只需一次操作。
正如我之前提到的，在实践中，最好是运行量子计算机几十次或几百次，然后从得到的结果中选出最好的结果。
然而，它仍然比在普通计算机上运行同样的问题并且必须重复同样类型的计算一百万百万百万百万百万次要好得多。
特别感谢D-WaveSystems公司的每个人耐心地向我解释这一切。
D-Wave最近推出了一个与量子计算机交互的云环境。
如果你是一名开发人员，并且想尝试使用量子计算机，使用云环境可能是最简单的方法。
它叫Leap，网址是：
https://cloud.dwavesys.com/leap
你可以免费用它来解决成千上万的问题，而且一旦你注册了量子计算机，他们还提供了手把手的教程。
在本文中，我使用术语“普通计算机”来指代非量子计算机。然而，在量子计算领域，非量子计算机通常被称为经典计算机。
什么叫量子计算机?
根据量子学说可以制作出来！~但这台电脑对民不适用！~量子制作只是相对把硬件体积缩小！~电脑主要硬件就是那么几样！~就像手机缩到一个指甲那么大结果带来的是不方便！~所以没必要！现在***在利用生物电子制作生物电脑！~估计下一代的下一代可以用上！电脑几乎等于半智能生物记忆无限大像大脑！~寿命是人的1倍！也就是说电脑也是像生物一样有生命~相对量子电脑的实用性就没必要了！~希望能帮到你
举个例子丨什么是量子计算机？比常规计算机强在哪里？
作者：YKSugi
译者：赵磊
本文作者访问了加拿大温哥华的一家名为D-WaveSystem的制造尖端量子计算机的公司，并在那里学习了很多关于量子计算机的知识。
在这篇文章中，作者将通过一个简单地例子让没有物理或计算机科学知识地小伙伴也能搞懂什么是量子计算机，欢迎分享~
量子计算机是一种使用量子力学原理进行计算的计算机，它能比常规计算机更有效地执行特定类型的计算。
听的是不是有点云里雾里？不是说好了没有物理学或计算机科学知识也能听懂吗？别急，这里将通过一个简单的例子来告诉大家，它到底是什么。
为什么解释什么是量子计算机，首先就需要解释一下常规（非量子）计算机。
一台普通的计算机以0和1的序列存储信息，不同类型的信息，如数字、文本和图像都可以使用这种方式表示，这种由0和1组成的序列中的每个单元都被成为比特位，所以，比特位可以设置为0或1。
量子计算机不使用比特位来存储信息，相反，它使用一种叫量子位的东西，每个量子位不仅可以设置为1或0，还可以设置为1和0。那这到底意味着什么呢？这里用一个简单的例子来解释这个问题：
假设我们在经营一家旅行社，需要把一群人从一个地方搬到另一个地方。
为了简单起见，假设现在只需要移动3个人——Alice、Becky和Chris。我们为此预定了两辆出租车，但想知道谁上了哪辆出租车。另外我们也得到了关于谁和谁是朋友，谁和谁是敌人的信息。
这里我们假设：
Alice和Becky是朋友
Alice和Chris是敌人
Becky和Chris是敌人
我们的目标是把这3个人分成两组并实现以下两个目标：
最大限度地增加共享同一辆车的朋友对的数量
最大限度地减少共享同一辆车的敌人对的数量
这是这个问题的基本前提。我们首先考虑如何用常规计算机解决这个问题。
要用普通的非量子计算机解决这个问题，首先需要弄清楚如何用比特存储相关信息。
我们把这两个出租车标记为出租车1号和出租车0号。
然后，可以用3个比特位表示谁进入哪辆车。
例如，我们可以通过将这3位设为0、0和1来表示：
Alice在0号出租车
Becky在0号出租车
Chris在1号出租车
因为每个人有两种选择，所以有2x2x2=8种方法将这群人分到两辆车上。
这里列出了所有可能的情况：
A|B|C
0|0|0
0|0|1
0|1|0
0|1|1
1|0|0
1|0|1
1|1|0
1|1|1
使用3个比特位，就可以表示这些组合中的任何一种。
计算每个配置的得分：
现在，使用常规计算机，我们如何确定哪种配置是最好的方案呢?
为此，我们需要定义如何计算每个配置的得分。这个分数将代表每个解决方案达到我前面提到的两个目标的程度：
最大限度地增加共享同一辆车的朋友对的数量
最大限度地减少共享同一辆车的敌人对的数量
我们简单定义分数如下:
给定配置的分数=共享同一辆车的朋友对数-共享同一辆车的敌人对数
例如，假设Alice、Becky和Chris都乘坐出租车1号。用三个比特表示为111。
在这种情况下，只有一对朋友共用一辆车——Alice和Becky。
但是却有两对敌人共用一辆车——Alice和Chris以及Becky和Chris。
所以，这个配置的总分为1-2=-1。
解决问题：
有了这些，我们终于可以着手解决这个问题了。
对于一台普通的计算机，要找到最好的配置，需要遍历所有配置，看看哪个达到了最高分。
构建的表格如下：
A|B|C|Score
0|0|0|-1
0|0|1|1
0|1|0|-1
0|1|1|-1
1|0|0|-1
1|0|1|-1
1|1|0|1
1|1|1|-1
这里有两个正确的答案——001和110，都达到了1分。
这个问题相当简单。但是随着越来越多的人参与到这个问题中来，用一台普通的电脑很快就会变得难以解决。
可以看到如果是3个人，需要遍历8种可能的配置。
如果有4个人呢？我们需要遍历2x2x2x2=16个配置。
对于n个人，我们需要通过遍历2的n次方个配置来找到最佳解。
所以，如果有100个人，我们需要遍历：
2¹⁰⁰~=10³⁰ 个配置
因此这是常规计算机根本无法解决的问题。
那么如果我们用量子计算机来解决这个问题呢？
让我们回到把3个人分到两辆出租车的例子。
正如我们前面看到的，这个问题有8种可能的解决方案：
A|B|C
0|0|0
0|0|1
0|1|0
0|1|1
1|0|0
1|0|1
1|1|0
1|1|1
用一台普通的计算机，用3个比特位，一次只能表示其中一个解——例如001。
然而，使用量子计算机，通过3个量子位，我们可以同时表示所有8个解。
关于这个说法的确切含义存在争议，但作者的看法是这样的：
首先，来看这3个量子位中的第一个量子位。当将其设置为0和1时，就好像创建了两个并行世界。
在其中一个平行世界中，量子位被设置为0，而在另一个平行世界中为1。
现在，如果再把第二个量子位也设为0 和1呢？就像是创造了4个平行世界。
在第一个平行世界中，两个量子位被设置为00，第二个平行世界中是01，第三个平行世界中是10，第四个平行世界中是11。
类似的如果将这三个量子位都设置为0和1，就会创建8个平行世界——000、001、010、011、100、101、110和111。
虽然这是一种奇怪的思考方式，但它是解释量子比特在现实世界中的行为的正确方式之一。
现在，当对这三个量子位进行某种计算时，实际上是在同时对这8个平行世界进行同样的计算。
因此，我们可以同时计算所有解的分数，而不是按顺序遍历所有这些可能的解。
有了这个特殊的例子，理论上量子计算机可以在几毫秒内找到最好的解——001或110，正如我们之前看到的：
A|B|C|Score
0|0|0|-1
0|0|1|1
0|1|0|-1
0|1|1|-1
1|0|0|-1
1|0|1|-1
1|1|0|1
1|1|1|-1
实际上，要解决这个问题只需要让量子计算机去做两件事:
所有可能的解都用量子位表示
将每个可能的解转化成分数的函数。在本例中，这个函数计算共享同一辆车的朋友对和敌人对的数量。
具备了上述两个条件，量子计算机将在几毫秒内给出其中一个最好的解决方案。在本例中，分数为1的是001或110。
现在从理论上讲量子计算机每次运行都能找到最好的解。
然而，实际上在运行量子计算机时有可能存在错误。所以，它可能会找到次优解，次次优解，等等。
随着问题变得越来越复杂，这些错误变得越来越突出。
因此，在实践中可能需要在量子计算机上运行相同的操作数十次或数百次。然后从结果中选出最优解。
量子计算机的改进之处：
即使有一些缺陷，但量子计算机也不会遇到常规计算机那样的计算规模问题。
当有3个人需要分到两辆车上时，需要在量子计算机上执行的操作数是1。这是因为量子计算机同时计算所有情况的分数。
当有4个人的时候，操作的次数仍然是1。
当有100人的时候，操作的次数仍然是1。仅仅一次操作，量子计算机就能同时计算出2¹⁰⁰ ~=10³⁰ 种情况的分数。
而正如之前所说，在实践中最好运行量子计算机几十次或几百次，然后从得到的结果中选出最好的结果。
D-WaveSystems最近推出了一个与量子计算机交互的云环境。
如果你是一名开发人员，并且想使用量子计算机，可以尝试这种简单的方法：
名称：Leap
地址：https://cloud.dwavesys.com/leap
可以免费使用它来解决很多问题，并且在注册后还可以看到很多关于量子计算机的相关教程。
备注：在本文中，作者使用术语“常规计算机”来指代非量子计算机。然而，在量子计算行业中，非量子计算机通常被称为经典计算机。
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量子计算机是什么？
量子计算机是一种基于量子力学原理的计算设备，利用量子比特（qubit）代替传统计算机的二进制比特（bit）。量子计算机利用量子叠加和量子纠缠等特性，能够在同一时间处理多个计算任务，具有极高的并行计算能力。
相比传统计算机，量子计算机在解决某些特定问题上具有巨大优势，如因子分解、优化问题和模拟量子系统等。然而，由于量子计算机的技术难度和稳定性等挑战，目前仍处于研究和发展阶段。
什么是量子计算来自机？
分类:电脑/网络解析:量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。那么，是否计算过程必须要用不可逆操作才能完成呢？问题的答案是：所有经典计算机都可以找到一种对应的可逆计算机，而且不影响运算能力。既然计算机中的每一步操作都可以改造为可逆操作，那么在量子力学中，它就可以用一个么正变换来表示。早期量子计算机，实际上是用量子力学语言描述的经典计算机，并没有用到量子力学的本质特性，如量子态的叠加性和相干性。在经典计算机中，基本信息单位为比特，运算对象是各种比特序列。与此类似，在量子计算机中，基本信息单位是量子比特，运算对象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以处于各种正交态的叠加态上，而且还可以处于纠缠态上。这些特殊的量子态，不仅提供了量子并行计算的可能，而且还将带来许多奇妙的性质。与经典计算机不同，量子计算机可以做任意的么正变换，在得到输出态后，进行测量得出计算结果。因此，量子计算对经典计算作了极大的扩充，在数学形式上，经典计算可看作是一类特殊的量子计算。量子计算机对每一个叠加分量进行变换，所有这些变换同时完成，并按一定的概率幅叠加起来，给出结果，这种计算称作量子并行计算。除了进行并行计算外，量子计算机的另一重要用途是模拟量子系统，这项工作是经典计算机无法胜任的。无论是量子并行计算还是量子模拟计算，本质上都是利用了量子相干性。遗憾的是，在实际系统中量子相干性很难保持。在量子计算机中，量子比特不是一个孤立的系统，它会与外部环境发生相互作用，导致量子相干性的衰减，即消相干。因此，要使量子计算成为现实，一个核心问题就是克服消相干。而量子编码是迄今发现的克服消相干最有效的方法。主要的几种量子编码方案是：量子纠错码、量子避错码和量子防错码。量子纠错码是经典纠错码的类比，是目前研究的最多的一类编码，其优点为适用范围广，缺点是效率不高。迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算，方案并不少，问题是在实验上实现对微观量子态的操纵确实太困难了。目前已经提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。现在还很难说哪一种方案更有前景，只是量子点方案和超导约瑟夫森结方案更适合集成化和小型化。将来也许现有的方案都派不上用场，最后脱颖而出的是一种全新的设计，而这种新设计又是以某种新材料为基础，就像半导体材料对于电子计算机一样。研究量子计算机的目的不是要用它来取代现有的计算机。量子计算机使计算的概念焕然一新，这是量子计算机与其他计算机如光计算机和生物计算机等的不同之处。量子计算机的作用远不止是解决一些经典计算机无法解决的问题。
量子计算机是什么
量子计算机（quantumcomputer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。
量子计算机的优势是什么？
量子计算机在最近的nature周刊上，来自***标准技术研究院的EmanuelKnill，以问答的方式介绍了关于量子计算机的基础知识，并且对发展前景做出了展望。现综述如下：在传统（或经典）计算机中，信息用0和1组成的字符串表示（每位一个比特，不是0就是1）。量子比特与经典的区别在于，前者应用了叠加原理；以至于量子比特可以是0和1的任意组合，例如：W>=a0>+b1>，其中a和b分别代表相干叠加态中0>态和1>态的比例系数。与经典情况类似，量子比特也可以构成比特串。基于量子相干效应，满足a^2+b^2=1条件的系数取值有无穷多组，因此量子比特串所代表的信息得以大大丰富。量子比特的构成可以利用光子的偏振，也可以利用被捕获离子（或原子）的能级，还可以利用超导线路（其中包括与电荷量相关的Cooper对箱，以及与环流方向相关的左/右旋环流之叠加态）。对量子信息的物理操控，包括对量子比特状态的初始化、逻辑门控制以及状态测量等。对某些问题，量子计算机可以做得比经典计算机快。但对于“词处理”一类的问题，考虑到要另外耗费量子比特操控资源，量子计算机不具有速度优势。关于量子计算，原本只有学术方面的兴趣。1994年PeterShor设计了一个非常有效的量子运算法则，用于将大数分解成两个素数因子；之后引出了一系列有关使用量子系统求解“甲骨文问题”的研究成果。PeterShor的算法可以轻易破解当今在互联网上普遍使用的通信密码，这使得圈内专家开始评估构建量子计算机的可行性。理论表明：如果使用量子计算机仿真模拟量子系统，其求解速度将以指数方式提高。此外，对于最佳化以及积分问题，量子计算机的加速能力也是明显的。为构建量子计算机，首先要求量子比特与环境隔绝，避免“退相干”。使用逻辑门操控量子比特是我们所要做的，但退相干则引入误差。纠缠是指两个粒子密切相关。首先A粒子和B粒子必须分别处于叠加态，纠缠量子对的状态可（例如）表示为：状态AB>=0A0B>±1A1B>和状态AB>=0A1B>±1A0B>。更重要的是，如果我们对A粒子的状态进行测量得到的结果是0，则B粒子必将坍缩到1>态，反之亦然。利用相互纠缠的量子对，可以对信息传输进行加密或解密。然而，纠缠的应用对增强量子计算机的功能而言，尚没有圈内的共识。对量子比特做出精确的物理操控，是量子计算机给出正确结果的关键。我们不可能纠正每一个可能发生的错误，最终的量子纠错测试应在一台规模化的量子计算机上完成。量子计算机出错的途径比经典计算机更多，纠错任务的完成要求附加许多硬件（如量子比特和逻辑门）。对于出错几率的上限已经有了一个共识，即应小于0.0001。目前，还没有足够精确的量子逻辑门被展示，这也是业界所面临的一大挑战。利用8个被捕获的离子构成8位量子比特串，在这台迷你尺寸的量子计算机（只能算得上是量子寄存器）上，研究者已经展示了它分解“大数”的能力（15=3×5）。预计，在极低温条件下被捕获的原子阵列（作为量子比特阵列），将很快被用于量子过程的仿真模拟。EmanuelKnill乐观地估计，在他有生之年可以看到：能够完成有趣运算的量子设备。（戴闻编译自Nature463（2010）：441-443）