樂高量子計算方法

❶ 量子計算機的基本原理是什麼

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。

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。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。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機無法解決的問題。摘自《科技日報

❷ 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）。

❸ 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。