量子計算方法

㈠ 量子計算機的工作原理和運用

量子計算機，顧名思義，就是實現量子計算的機器。要說清楚量子計算，首先看經典計算。經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定演算法進行變換的機器，其演算法由計算機的內部邏輯電路來實現。經典計算機具有如下特點：
其輸入態和輸出態都是經典信號，用量子力學的語言來描述，也即是:其輸入態和輸出態都是某一力學量的本徵態。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即|0110110＞。所有的輸入態均相互正交。對經典計算機不可能輸入如下疊加態：C1|0110110
＞＋
C2|1001001＞。
經典計算機內部的每一步變換都演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，經典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。
相應於經典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特（qubits））,量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的么正變換。因此量子計算機的特點為:
量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；
量子計算機中的變換為所有可能的么正變換。得出輸出態之後，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。
由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特徵為量子疊加性和量子相乾性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當於一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，並按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。這種計算稱為量子並行計算。
無論是量子並行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相乾性。遺憾的是，在實際系統中量子相乾性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相乾性的衰減，即消相干（也稱「退相干」）。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發現的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優點為適用范圍廣，缺點是效率不高。
迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機!

㈡ 量子計算機的工作原理

普通的數字計算機在0和1的二進制系統上運行，稱為「比特」（bit）。但量子計算機要遠遠更為強大。它們可以在量子比特（qubit）上運算，可以計算0和1之間的數值。假想一個放置在磁場中的原子，它像陀螺一樣旋轉，於是它的旋轉軸可以不是向上指就是向下指。常識告訴我們：原子的旋轉可能向上也可能向下，但不可能同時都進行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態的總和，一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。在量子的奇妙世界中，每一種物體都被使用所有不可思議狀態的總和來描述。
想像一串原子排列在一個磁場中，以相同的方式旋轉。如果一束激光照射在這串原子上方，激光束會躍下這組原子，迅速翻轉一些原子的旋轉軸。通過測量進入的和離開的激光束的差異，我們已經完成了一次復雜的量子「計算」，涉及了許多自旋的快速移動。
從數學抽象上看，量子計算機執行以集合為基本運算單元的計算，普通計算機執行以元素為基本運算單元的計算（如果集合中只有一個元素，量子計算與經典計算沒有區別）。
以函數y=f(x)，x∈A為例。量子計算的輸入參數是定義域A，一步到位得到輸出值域B，即B=f(A)；經典計算的輸入參數是x，得到輸出值y，要多次計算才能得到值域B，即y=f(x)，x∈A，y∈B。
量子計算機有一個待解決的問題，即輸出值域B只能隨機取出一個有效值y。雖然通過將不希望的輸出導向空集的方法，已使輸出集B中的元素遠少於輸入集A中的元素，但當需要取出全部有效值時仍需要多次計算。

㈢ 量子計算機的演算法理論

量子計算機在1980年代多處於理論推導狀態。1994年彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質因子分解演算法後，因其對於通行於銀行及網路等處的RSA加密演算法可以破解而構成威脅之後，量子計算機變成了熱門的話題，除了理論之外，也有不少學者著力於利用各種量子系統來實現量子計算機。
半導體靠控制集成電路來記錄及運算信息，量子計算機則希望控制原子或小分子的狀態，記錄和運算信息。 1994年，貝爾實驗室的專家彼得·秀爾（Peter Shor）證明量子計算機能做出離散對數運算[11]，而且速度遠勝傳統計算機。因為量子不像半導體只能記錄0與1，可以同時表示多種狀態。如果把半導體比成單一樂器，量子計算機就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況，因此，一個40比特的量子計算機，就能在很短時間內解開1024位計算機花上數十年解決的問題。 量子計算機，顧名思義，就是實現量子計算的機器。是一種使用量子邏輯進行通用計算的設備。不同於電子計算機（或稱傳統電腦），量子計算用來存儲數據的對象是量子比特，它使用量子演算法來進行數據操作。
要說清楚量子計算，首先看經典計算機。經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定演算法進行變換的機器，其演算法由計算機的內部邏輯電路來實現。
1.其輸入態和輸出態都是經典信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態和輸出態都是某一力學量的本徵態。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即|0110110>。所有的輸入態均相互正交。對經典計算機不可能輸入如下疊加態：C1|0110110 >+ C2|1001001>。
2.經典計算機內部的每一步變換都演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，經典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。
相應於經典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特（qubits）），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的幺正變換。
1.量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；
2量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態之後，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。
由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特徵為量子疊加性和量子相乾性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當於一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，量子並行計算。
無論是量子並行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相乾性。遺憾的是，在實際系統中量子相乾性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相乾性的衰減，即消相干（也稱「退相干」）。因此，要使量子計算成為現實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發現的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優點為適用范圍廣，缺點是效率不高。
正如大多數人所了解的，量子計算機在密碼破解上有著巨大潛力。當今主流的非對稱（公鑰）加密演算法，如RSA加密演算法，大多數都是基於於大整數的因式分解或者有限域上的離散指數的計算這兩個數學難題。他們的破解難度也就依賴於解決這些問題的效率。傳統計算機上，要求解這兩個數學難題，花費時間為指數時間（即破解時間隨著公鑰長度的增長以指數級增長），這在實際應用中是無法接受的。而為量子計算機量身定做的秀爾演算法可以在多項式時間內（即破解時間隨著公鑰長度的增長以k次方的速度增長，其中k為與公鑰長度無關的常數）進行整數因式分解或者離散對數計算，從而為RSA、離散對數加密演算法的破解提供可能。但其它不是基於這兩個數學問題的公鑰加密演算法，比如橢圓曲線加密演算法，量子計算機還無法進行有效破解 。
針對對稱（私鑰）加密，如AES加密演算法，只能進行暴力破解，而傳統計算機的破解時間為指數時間，更准確地說，是 ，其中 為密鑰的長度。而量子計算機可以利用Grover演算法進行更優化的暴力破解，其效率為 ，也就是說，量子計算機暴力破解AES-256加密的效率跟傳統計算機暴力破解AES-128是一樣的。
更廣泛而言，Grover演算法是一種量子資料庫搜索演算法，相比傳統的演算法，達到同樣的效果，它的請求次數要少得多。對稱加密演算法的暴力破解僅僅是Grover演算法的其中一個應用。
在利用EPR對進行量子通訊的實驗中科學家發現，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息，正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實現的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。
此外量子計算機還可以用來做量子系統的模擬，人們一旦有了量子模擬計算機，就無需求解薛定諤方程或者採用蒙特卡羅方法在經典計算機上做數值計算，便可精確地研究量子體系的特徵。

㈣ 量子計算機工作原理

量子計算機的工作原理：

量子計算機是一種基於量子理論而工作的計算機。追根溯源，是對可逆機的不斷探索促進了量子計算機的發展。量子計算機裝置遵循量子計算的基本理論，處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法。1981年，美國阿拉貢國家實驗室的Paul Benioff最早提出了量子計算的基本理論。

1、量子比特

經典計算機信息的基本單元是比特，比特是一種有兩個狀態的物理系統，用0與1表示。在量子計算機中，基本信息單位是量子比特（qubit），用兩個量子態│0>和│1>代替經典比特狀態0和1。量子比特相較於比特來說，有著獨一無二的存在特點，它以兩個邏輯態的疊加態的形式存在，這表示的是兩個狀態是0和1的相應量子態疊加。

2、態疊加原理

現代量子計算機模型的核心技術便是態疊加原理，屬於量子力學的一個基本原理。一個體系中，每一種可能的運動方式就被稱作態。在微觀體系中，量子的運動狀態無法確定，呈現統計性，與宏觀體系確定的運動狀態相反。量子態就是微觀體系的態。

3、量子糾纏

量子糾纏：當兩個粒子互相糾纏時，一個粒子的行為會影響另一個粒子的狀態，此現象與距離無關，理論上即使相隔足夠遠，量子糾纏現象依舊能被檢測到。因此，當兩粒子中的一個粒子狀態發生變化，即此粒子被操作時，另一個粒子的狀態也會相應的隨之改變。

4、量子並行原理

量子並行計算是量子計算機能夠超越經典計算機的最引人注目的先進技術。量子計算機以指數形式儲存數字，通過將量子位增至300個量子位就能儲存比宇宙中所有原子還多的數字，並能同時進行運算。函數計算不通過經典循環方法，可直接通過幺正變換得到，大大縮短工作損耗能量，真正實現可逆計算。

(4)量子計算方法擴展閱讀：

量子計算機的難點：

1、量子消相干

量子計算的相乾性是量子並行運算的精髓，但在實際情況下，量子比特會受到外界環境的作用與影響，從而產生量子糾纏。量子相乾性極易受到量子糾纏的干擾，導致量子相乾性降低，也就是所謂的消相干現象。實際的應用中，無法避免量子比特與外界的接觸，量子的相乾性也就不易得到保持。所以，量子消相干問題是目前需要解決的重要問題之一，它的解決將在一定程度上影響著量子計算機未來的發展道路。

2、量子糾纏

量子作為最小的顆粒，遵守量子糾纏規律。即使在空間上，量子之間可能是分開的，但是量子間的相互影響是無法避免的。介於此，量子糾纏技術被聯想到量子信息的傳遞領域。在一定意義上，利用量子之間飛快的交流速度從而實現信息的傳遞。

3、量子並行計算

量子計算機獨特的並行計算是經典計算機無法比擬的重要的一點。同樣是一個n位的存儲器，經典計算機存儲的結果只有一個。但是量子計算機存儲的結果可達2n。其並行計算不僅在存儲容量上遠超越了後者，而且讀取速度快，多個讀取和計算可同時進行。正是量子並行計算的重要性，它的有效應用也成為了量子計算機發展的關鍵之一。

4、量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子態不存在復制的過程，既然要保持量子態不變，則不存在量子的測量，也就無法實現復制。對於量子計算機來說，無法實現經典計算機的糾錯應用以及復制功能。

㈤ 量子計算機的原理

普通的數字計算機在0和1的二進制系統上運行，稱為「比特」（bit）。但量子計算機要遠遠更為強大。它們可以在量子比特（qubit）上運算，可以計算0和1之間的數值。假想一個放置在磁場中的原子，它像陀螺一樣旋轉，於是它的旋轉軸可以不是向上指就是向下指。

常識告訴我們：原子的旋轉可能向上也可能向下，但不可能同時都進行。但在量子的奇異世界中，原子被描述為兩種狀態的總和，一個向上轉的原子和一個向下轉的原子的總和。在量子的奇妙世界中，每一種物體都被使用所有不可思議狀態的總和來描述。

想像一串原子排列在一個磁場中，以相同的方式旋轉。如果一束激光照射在這串原子上方，激光束會躍下這組原子，迅速翻轉一些原子的旋轉軸。通過測量進入的和離開的激光束的差異，我們已經完成了一次復雜的量子「計算」，涉及了許多自旋的快速移動。

從數學抽象上看，量子計算機執行以集合為基本運算單元的計算，普通計算機執行以元素為基本運算單元的計算（如果集合中只有一個元素，量子計算與經典計算沒有區別）。

以函數y=f(x)，x∈A為例。量子計算的輸入參數是定義域A，一步到位得到輸出值域B，即B=f(A)；經典計算的輸入參數是x，得到輸出值y，要多次計算才能得到值域B，即y=f(x)，x∈A，y∈B。

量子計算機有一個待解決的問題，即輸出值域B只能隨機取出一個有效值y。雖然通過將不希望的輸出導向空集的方法，已使輸出集B中的元素遠少於輸入集A中的元素，但當需要取出全部有效值時仍需要多次計算。

(5)量子計算方法擴展閱讀：

2017年5月，中國科學院宣布製造出世界首台超越早期經典計算機的光量子計算機，研發了10比特超導量子線路樣品，通過高精度脈沖控制和全局糾纏操作，成功實現了目前世界上最大數目的超導量子比特多體純糾纏，並通過層析測量方法完整地刻畫了十比特量子態。

此原型機的「玻色取樣」速度比國際同行之前所有實驗機加快至少24000倍，比人類歷史上第一台電子管計算機（ENIAC）和第一台晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍，雖然還是緩慢但已經逐步跨入實用價值階段。

2017年7月，美國研究人員宣布完成51個量子比特的量子計算機模擬器[23]。哈佛大學米哈伊爾·盧金（Mikhail Lukin）在莫斯科量子技術國際會議上宣布這一消息。量子模擬器使用了激光冷卻的原子，並使用激光將原子固定。

2018年6月，英特爾宣布開發出新款量子晶元，使用五十奈米的量子比特做運算，並已在攝氏零下273度的極低溫度中進行測試。

㈥ 量子計算的基本原理

量子的重疊與牽連原理產生了巨大的計算能力。普通計算機中的2位寄存器在某一時間僅能存儲4個二進制數（00、01、10、11）中的一個，而量子計算機中的2位量子位（qubit）寄存器可同時存儲這四個數，因為每一個量子比特可表示兩個值。如果有更多量子比特的話，計算能力就呈指數級提高。 量子位（qubit）是量子計算的理論基石。在常規計算機中，信息單元用二進制的 1 個位來表示，它不是處於「 0」 態就是處於「 1」 態. 在二進制量子計算機中，信息單元稱為量子位，它除了處於「 0」 態或「 1」 態外，還可處於疊加態（super posed state) . 疊加態是「 0」 態和「 1」 態的任意線性疊加，它既可以是「 0」 態又可以是「 1」 態，「 0」 態和「 1」 態各以一定的概率同時存在. 通過測量或與其它物體發生相互作用而呈現出「 0」 態或 「 1」 態.任何兩態的量子系統都可用來實現量子位，例如氫原子中的電子的基態（gro und state）和第 1 激發態（f irstex cited state)、 質子自旋在任意方向的+ 1/ 2 分量和- 1/ 2 分量、 圓偏振光的左旋和右旋等。
一個量子系統包含若干粒子，這些粒子按照量子力學的規律運動，稱此系統處於態空間的某種量子態.態空間由多個本徵態（eigenstate) （即基本的量子態）構成，基本量子態簡稱基本態（basic state）或基矢（basic vector) . 態空間可用Hilbert 空間（線性復向量空間）來表述，即Hilbert 空間可以表述量子系統的各種可能的量子態.為了便於表示和運算，Dirac提出用符號 x〉 來表示量子態，x〉 是一個列向量，稱為ket ；它的共軛轉置（conjugate t ranspose) 用〈 x 表示，〈 x 是一個行向量，稱為bra.一個量子位的疊加態可用二維Hilbert 空間（即二維復向量空間）的單位向量 〉 來描述，其簡化的示意圖如右圖所示. 量子計算將有可能使計算機的計算能力大大超過今天的計算機，但仍然存在很多障礙。大規模量子計算所存在的一個問題是，提高所需量子裝置的准確性有困難。
世界上第一台商用量子計算機
加拿大量子計算公司D-Wave於2011年5月11日正式發布了全球第一款商用型量子計算機「D-Wave One」，量子電腦的夢想距離我們又近了一大步。D-Wave公司的口號就是——「Yes,you can have one.」。其實早在2007年初，D-Wave公司就展示了全球第一台商用實用型量子計算機「Orion」（獵戶座），不過嚴格來說當時那套系統還算不上真正意義的量子計算機，只是能用一些量子力學方法解決問題的特殊用途機器。
時隔四年之後，D-Wave One終於脫胎換骨、正式登場。它採用了128-qubit（量子比特）的處理器，四倍於之前的原型機，理論運算速度已經遠遠超越現有任何超級電子計算機。另外，D-wave公司將會在2013年1月將其升級至512量子比特。不過呢，也別太興奮，這個大傢伙現在還只能處理經過優化的特定任務，通用任務方面還遠不是傳統硅處理器的對手，而且編程方面也需要重新學習。 另外，為盡可能降低qubit的能級，需要利用低溫超導狀態下的鈮產生qubit，D-Wave 的工作溫度需保持在絕對零度附近（20 mK） 。
最後就是價格，2011年，NASA和Google分別以約一千萬美元購置了一台512位qubit的D-Wave量子計算機 。這絕對是天價中的天價了，不過也是新技術開端的必然，就像當初的第一台電子計算機ENIAC造價就有40萬美元（二十世紀四十年代的40萬美元）。

㈦ 量子計算機的原理是什麼

大約到2030年，每個人桌上的電腦主機不會再使用晶元與半導體，而是充滿液體。而這正是新一代量子電腦的奇特造型。

也許你已經知道，量子電腦應用的不再是現實世界裡的物理定律，而是玄妙的量子原理。它的運算速度可能比目前個人電腦的奔騰Ⅲ晶元快10億倍，可以在二瞬間搜尋整個國際網路，也可以輕易破解任何安全密碼。而且，最重要的一點是，這一切絕非科幻小說。與傳統電腦不同的是，量子電腦將以原子而非晶元進行運算。第一台量子電腦可能會是個粗糙、昂貴、只能用一次的科學實驗品，但2001年以來的各種實驗結果顯示，這項科學理論的確管用。

美國麻省理工學院與英國牛津大學是量子電腦研究的先驅，IBM與惠普電腦公司也不落人後。對量子電腦的驚人性能感到擔憂的美國政府，更是在洛斯阿拉莫斯國家實驗室，不計成本地設立了量子電腦研究基地。

要讓原子乖乖地為人類服務這個難題，無論是在理論上，坯是在實踐上，都對科學家發出了嚴峻挑戰。因為量子世界是個超乎常理的環境，我們可能永遠也猜不出它的「謎底」。量子電腦也有很多匪夷所思的地方，它能夠設想無限多個宇宙並列的場面，並由此「算出」可能出現的各種情況。而這意味著，不同的人在不同的時間，通過量子電腦計算得到的，很可能是不同的答案。

量子電腦專家班奈特說，量子電腦的基礎，恰恰就是這些怪異的觀念。因此，單是創造一個類似量子世界的環境，讓原子照常進行計算並提供答案，就足以讓科學家傷透腦筋。也許還要好幾十年，量子電腦才會出現在我們的書桌上。

其實科學家早已注意到，原子是個天然的計算機。它會旋轉，而且很有規律，方向不是朝上就是朝下，這正好與數字科技的「0」與「1」吻合。但原子有一個怪異的特性：一個原子，可以在同一時間向上並向下旋轉，直到你用電子顯微鏡或其他工具測量它，才會迫使它選擇一個固定方向。這既是原子的特異功能，也是量子電腦強大力量的來源。

既然原子可以同時向上並向下旋轉，它就不能被視為單一的「位元」。科學家稱之為「准位元」，就是出於這個原因。這意味著，如果把一群原子聚在一起，它們不會像今天的電腦那樣，按照程序進行線性運算，而是同時進行所有可能的運算。這種運算方式的直接好處是計算機的運算速度成指數地加快了。

只要40個原子一起計算，其性能就相當於今天的一部超級電腦。舉例來說，如果有一個包含全球電話號碼的資料庫，要從中尋找一個我們需要的特定號碼，現在速度最快的超級電腦，大約要花一個月的時間才能完成任務，而一台量子電腦只需27分鍾。

但是，答案那麼多，速度那麼快，我們怎麼取回想要的計算結果呢?前面說過，對原子進行測量可以迫使它選擇旋轉方向，因此科學家只要測量這些「准位元」，就可以逼迫它們說出答案。

最近，麻省理工學院與mM公司的科學家，終於通過特定方式，做出了原始的量子電腦。雖然它看上去和一個烤麵包機沒有多大差別，但功能卻比烤麵包機高明多了。這個實驗性質的量子電腦，具有兩個「准位元」的計算能力。也就是說，它的威力等於兩個原子同時進行運算。目前，科學家們正在朝三個「准位元」的目標努力。

㈧ 量子計算機相比普通電腦運算為什麼更快怎麼樣計算

量子計算機，早先由理查德·費曼提出，一開始是從物理現象的模擬而來的。可他發現當模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間使資料量也變得龐大，一個完好的模擬所需的運算時間變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。理查德·費曼當時就想到，如果用量子系統構成的計算機來模擬量子現象，則運算時間可大幅度減少。量子計算機的概念從此誕生。
2量子計算機，或推而廣之——量子資訊科學，在1980年代多處於理論推導等紙上談兵狀態。一直到1994年彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質因子分解演算法後，因其對於現在通行於銀行及網路等處的RSA加密演算法可以破解而構成威脅之後，量子計算機變成了熱門的話題。除了理論之外，也有不少學者著力於利用各種量子系統來實現量子計算機。
半導體靠控制集成電路來記錄和運算信息，量子電腦則希望控制原子或小分子的狀態，記錄和運算信息。
圖2：布洛赫球面乃一種對於二階量子系統之純態空間的幾何表示法，是建立量子計算機的基礎。
20世紀60年代至70年代，人們發現能耗會導致計算機中的晶元發熱，極大地影響了晶元的集成度，從而限制了計算機的運行速度。研究發現，能耗來源於計算過程中的不可逆操作。那麼，是否計算過程必須要用不可逆操作才能完成呢？問題的答案是：所有經典計算機都可以找到一種對應的可逆計算機，而且不影響運算能力。既然計算機中的每一步操作都可以改造為可逆操作，那麼在量子力學中，它就可以用一個幺正變換來表示。早期量子計算機，實際上是用量子力學語言描述的經典計算機，並沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相乾性。在經典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處於各種正交態的疊加態上，而且還可以處於糾纏態上。這些特殊的量子態，不僅提供了量子並行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典計算機不同，量子計算機可以做任意的幺正變換，在得到輸出態後，進行測量得出計算結果。因此，量子計算對經典計算作了極大的擴充，在數學形式上，經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，並按一定的概率幅疊加起來，給出結果，這種計算稱作量子並行計算。除了進行並行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統，這項工作是經典計算機無法勝任的。
1994年，貝爾實驗室的專家彼得·舒爾（Peter Shor）證明量子計算機能完成對數運算，而且速度遠勝傳統計算機。這是因為量子不像半導體只能記錄0與1，可以同時表示多種狀態。如果把半導體計算機比成單一樂器，量子計算機就像交響樂團，一次運算可以處理多種不同狀況，因此，一個40位元的量子計算機，就能解開1024位元的電子計算機花上數十年解決的問題。

量子計算機的特點
相應於經典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特（qubits）），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的玄正變換。
1.量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；
2量子計算機中的變換為所有可能的么正變換。得出輸出態之後，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。
由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特徵為量子疊加性和量子相乾性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當於一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，並按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算機的輸出結果。這種計算稱為量子並行計算。
無論是量子並行計算還是量子模擬計算，本質上都是利用了量子相乾性。遺憾的是，在實際系統中量子相乾性很難保持。在量子計算機中，量子比特不是一個孤立的系統，它會與外部環境發生相互作用，導致量子相乾性的衰減，即消相干（也稱「退相干」）。因此，要使量子計算成為現 承載16個量子位的硅晶元實，一個核心問題就是克服消相干。而量子編碼是迄今發現的克服消相干最有效的方法。主要的幾種量子編碼方案是：量子糾錯碼、量子避錯碼和量子防錯碼。量子糾錯碼是經典糾錯碼的類比，是目前研究的最多的一類編碼，其優點為適用范圍廣，缺點是效率不高。
迄今為止，世界上還沒有真正意義上的量子計算機。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算，方案並不少，問題是在實驗上實現對微觀量子態的操縱確實太困難了。目前已經提出的方案主要利用了原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點操縱、超導量子干涉等。現在還很難說哪一種方案更有前景，只是量子點方案和超導約瑟夫森結方案更適合集成化和小型化。將來也許現有的方案都派不上用場，最後脫穎而出的是一種全新的設計，而這種新設計又是以某種新材料為基礎，就像半導體材料對於電子計算機一樣。研究量子計算機的目的不是要用它來取代現有的計算機。量子計算機使計算的概念煥然一新，這是量子計算機與其他計算機如光計算機和生物計算機等的不同之處。量子計算機的作用遠不止是解決一些經典計算 量子計算機原理機無法解決的問題。

㈨ 量子計算機是怎樣的

量子計算機不同於我們平時有的計算機。它是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。如果某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法，那麼它就是量子計算機。

這種量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究。科學家們研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。還是先了解一下什麼是量子計算機吧！

對於現在，我們使用的電子計算機集成電路的集成度，大約以每3年翻兩番的速度發展。1990年製成了64兆位的動態隨機存儲器，集成電路的線寬已細到0.3微米。1993年製成了256兆位的動態隨機存儲器。當存儲器達到1024兆位時，集成電路的線寬將細到0.1微米，也就是千萬分之一米，它差不多是一根頭發絲的千分之一。這么細的電路，被認為是集成電路的發展極，如果電路比這更細時，現有電子元件將會失去工作的理論基礎，因為電子作為一種微小粒子，具有「波粒二象性」，當電路線寬大於0.1微米時，電子完全可視為粒子，而不必考慮其波動性；而當電路線寬小於0.1微米時，那麼就必須考慮電子的波動性。與此同時還會出現種種新的物理現象，稱為量子效應。利用量子效應工作的電子元件就被稱為量子元件。

現在的電子元件是通過控制所通過的電子數量多少或有無來進行工作的。宏觀上，電子計算用電位的高低來表示0和1以進行存儲和計算。而量子元件則通過控制粒子波動的相位來實現輸出信號的強弱和有無，量子計算機通過利用粒子的量子力學效應，如光子的極化，原子的自旋等來表示0和1以進行存儲和計算。量子元件的使用將使計算機的工作速度大大提高(約可提高1000倍)，功耗大大減少(約可減少1000倍)，電路大大簡化且不易發熱，體積大大縮小。

量子計算機，最早是由理查德·費曼提出的，一開始是從物理現象的模擬而來的。可是，他發現當模擬量子現象時，因為龐大的希爾伯特空間而使資料量也變得龐大。一個完好的模擬所需的運算時間則變得相當可觀，甚至是不切實際的天文數字。理查德·費曼當時就想到如果用量子系統所構成的計算機來模擬量子現象則運算時間可大幅度減少，比現行計算機要快得多。正是它的這一特點吸引了大批科學家參與開發研究。量子計算機的概念也由此而誕生以及被人注意。

早期量子計算機，實際上是用量子力學語言描述的經典計算機，並沒有用到量子力學的本質特性，如量子態的疊加性和相乾性。在經典計算機中，基本信息單位為比特，運算對象是各種比特序列。與此類似，在量子計算機中，基本信息單位是量子比特，運算對象是量子比特序列。所不同的是，量子比特序列不但可以處於各種正交態的疊加態上，而且還可以處於糾纏態上。這些特殊的量子態，不僅提供了量子並行計算的可能，而且還將帶來許多奇妙的性質。與經典計算機不同，量子計算機可以做任意的幺正變換，在得到輸出態後，進行測量得出計算結果。因此，量子計算對經典計算作了極大的擴充，在數學形式上，經典計算可看作是一類特殊的量子計算。量子計算機對每一個疊加分量進行變換，所有這些變換同時完成，並按一定的概率幅疊加起來，給出結果，這種計算稱作量子並行計算。除了進行並行計算外，量子計算機的另一重要用途是模擬量子系統，這項工作是經典計算機無法勝任的

日本日立製作所開發研究成功了一種量子元件——「單個電子晶體管」，它可以控制單個電子的運動。這種晶體管不僅體積小，而且功耗特別低，比目前功耗最小的晶體管低約1000倍。日本富士通公司正在開發量子元件超高密度存儲器，在1平方厘米面積的晶元上，可存儲10萬億比特的信息，相當於可存儲6000億個漢字。美國物理學家翰遜博士開發成功的電子自旋晶體管，很有可能將集成電路的線寬降至0.01微米。在一個小小的晶元上可容納數萬億個晶體管，從而使集成電路的集成度大大提高。利用量子力學原理設計，由量子元件組裝的量子計算機。它不僅運算速度快，存儲量大、功耗低，而且體積也會大大縮小。一個超高速計算機可以直接放在口袋裡，人造衛星的直徑可以從數米減小到數十厘米。

量子計算機它可以進行大數的因式分解，和Grover搜索破譯密碼，但是同時也提供了另一種保密通訊的方式。在利用EPR對進行量子通訊的實驗中中我們發現，只有擁有EPR對的雙方才可能完成量子信息的傳遞，任何第三方的竊聽者都不能獲得完全的量子信息，正所謂解鈴還需系鈴人，這樣實現的量子通訊才是真正不會被破解的保密通訊。此外量子計算機還可以用來做量子系統的模擬，人們一旦有了量子模擬計算機，就無需求解薛定愕方程或者採用蒙特卡羅方法在經典計算機上做數值計算，便可精確地研究量子體系的特徵。

量子計算機是通過量子分裂式、量子修補式來進行一系列的大規模高精確度的運算的。其浮點運算性能是普通家用電腦的CPU所無法比擬的，量子計算機大規模運算的方式其實就類似於普通電腦的批處理程序，其運算方式簡單來說就是通過大量的量子分裂，再進行高速的量子修補，但是其精確度和速度也是普通電腦望塵莫及的，因此造價相當驚人。目前唯一一台量子計算機仍在微軟的矽谷老家中，尚在試驗階段，離投入使用還會有一段時間。量子計算機當然不是給我們用來玩電子游戲的，因為這好比拿激光切割機去切紙大材小用。它的主要用途是例如象測量星體精確坐標、快速計算不規則立體圖形體積、精確控制機器人或人工智慧等需要大規模、高精度的高速浮點運算的工作。但是在運行這一系列高難度運算的背後，是可怕的能量消耗、不怎麼長的使用壽命和恐怖的熱量。假如1噸鈾235通過核發電機1天能提供7000萬瓦伏電量，但這些電量在短短的10天就會被消耗殆盡，當然這也只是最保守的估計；試想如果一台量子計算機一天工作4小時左右，那麼它的壽命將只有可憐的2年，如果工作6小時以上，恐怕連1年都不行，這也是最保守的估計；假定量子計算機每小時有70攝氏度，那麼2小時內機箱將達到200度，6小時恐怕散熱裝置都要被融化了，這也還只是最保守的估計！

所以由此看來，高能短命的量子計算機恐怕離我們的生活還有一段漫長的距離，那麼就讓我們一起迎著未來的曙光拭目以待吧！

我們現在使用的計算機可以說是夠高科技的，沒想到科學家們還能研發出更為高科技的電子產品，這對於我們未來的生活來說是一種有益的幫助。只有科技不斷進步，我們的社會也才會跟著不斷的進步。對於未來的世界，我們有的是更多的期盼吧！