量子計算機如何在電腦上操作

『壹』 關於量子計算機

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。
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。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。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。
一般認為量子計算機仍處於研究階段。 然而2011年5月11日, 加拿大的D-Wave System Inc. 發布了一款號稱 「全球第一款商用型量子計算機」的計算設備「D-Wave One」。 該量子設備是否真的實現了量子計算還沒有得到學術界廣泛認同。2013年5月D-Wave System Inc宣稱NASA和Google共同預定了一台採用512量子位的D-Wave Two量子計算機。
2013年5月，Google和NASA在加利福尼亞的量子人工智慧實驗室發布D-Wave Two。
2013年6月，中國科學技術大學潘建偉院士領銜的量子光學和量子信息團隊的陸朝陽、劉乃樂研究小組，在國際上首次成功實現用量子計算機求解線性方程組的實驗。
量子計算機體積、功耗、發熱更小。
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『貳』 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。

(2)量子計算機如何在電腦上操作擴展閱讀：

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。

『叄』 量子計算機運行原理

就是用量子比特代替原來的普通比特。
從物理層面上來看，量子計算機不是基於普通的晶體管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如質子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（學校實驗大多用這個）等等作為載體。當然從理論上來看任何一個多能級系統都可以作為量子比特的載體。
從計算原理上來看，量子計算機的輸入態既可以是離散的本徵態（如傳統的計算機一樣），也可以是疊加態（幾種不同狀態的幾率疊加），對信息的操作從傳統的「和」，「或」，「與」等邏輯運算擴展到任何幺正變換，輸出也可以是疊加態或某個本徵態。所以量子計算機會更加靈活，並能實現並行計算。
要解釋細節的話有些麻煩， 給你些關鍵詞可以去查：
1. 量子態， quatum State 
2. 量子疊加態， Quantum superposition
3， 量子比特， Qubit
4, 幺正變換 Unitary Transformation
5， 量子邏輯， Quantum Logic
6, 量子門， Quantum Gate (對應於傳統的邏輯門，其實就是一些特殊的正變換)
7, 量子演算法， quantum Algorithm (當然量子計算機也能實現傳統的演算法)
8, 然後關於從物理層面如何實現的最好從量子光學開始， 因為偏振的光子是最簡單的。

『肆』 量子電腦應用的是什麼原理

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。

『伍』 量子計算機是怎樣的工作原理，以後會代替傳統計算機嗎

1、相比傳統計算機物理硬體上，使用晶體管表示0或1的比特二元狀態；量子計算機的硬體可以以兩種狀態存在。量子比特這種「疊加」的特性，使得量子計算可以沿多條路徑前進，而傳統計算機一次只能選擇一條路徑。

量子比特的數字表示方法與傳統的完全不一樣，一個量子比特包含多個可能的值。

2、量子的「糾纏」和「干涉」的特性，可以一次性的驗證量子比特里哪個結果是正確的。

量子比特里包含的多種信息，可以一次性的得出哪個數字是對的。

量子計算機的新聞鋪天蓋地，作為小白的我們，那些術語看來看去，有點摸不著頭腦。我們試著用直白的語言，來簡單的說說，量子計算機為什麼要比傳統計算機快？

量子計算機怎樣工作？

傳統計算機使用晶體管的特性（類似於開關），其有兩種狀態，要麼開，要麼關。這個基本的一個單位，我們稱之為比特，在數學上，可以用二進制的0、1來表示。這是計算機最底層硬體的信息表示方式。

而量子計算機，使用量子「疊加」、「糾纏「、」干涉」的物理特性，進行計算而設計的硬體。相對於傳統計算機的二進制，量子計算機需要特殊的演算法來實現數學的運算。這些數學演算法不是小白重點關注的問題，我們一起來看看為什麼它很快。

舉個例子

我們來看一個查找正確密碼的例子：

走出迷宮的最佳路徑

量子計算機發展到什麼程度了？

現在最穩定、最大的量子計算系統，還沒有實用價值。量子狀態的穩定和操作，現今還是一件很困難的事。因為量子狀態容易被破壞、量子特徵持續有限等原因，量子計算的研究還在發展中。

如果某一天這些問題都很好的解決了，也就是所說的「量子霸權」，量子計算就能派上大用場，經典加密技術在它面前會不堪一擊。當人工智慧、機器學習與量子計算結合，可能會有很大的突破。

『陸』 量子計算是如何工作的呢

量子計算機根據物體在被測量前狀態的概率進行計算——而不是僅僅1或0——這意味著它們有潛力處理比傳統計算機指數級更多的數據。

量子計算的霸權就目前而言，經典技術可以處理任何交給量子計算機的任務。量子優勢是指量子計算機超越經典計算機的能力。一些公司，如IBM和谷歌，聲稱我們可能已經接近了，因為他們繼續把更多的量子位堆積在一起，並製造出更精確的設備。

並不是每個人都相信量子計算機值得付出努力。一些數學家認為，有些障礙實際上是不可能克服的，所以使量子計算有可能是永遠無法觸及的。

『柒』 量子計算機有什麼用它是如何運作的

當量子力學遇到電子計算機，量子計算機就誕生了。計算機的最小單位是一個比特。由於計算機是二進制的，這個比特要麼是1，要麼是0，沒有其他選擇，比如說信息。1010，包含四個比特，八個比特組成1B，1024B等於1K，1024K等於1M，1024M等於1G，以此類推。量子計算利用亞原子粒子的不可分性和不可復制性、量子糾纏和並行計算能力，比傳統計算機更快地進行計算，並使用更少的能源。傳統計算機使用晶體管（類似於開關）的特性，可以開啟或關閉。

量子計算機的運行原理與現有計算機完全不同，使其成為解決特定數學問題的理想選擇，如尋找非常大的素數。由於素數在密碼學中非常重要，量子計算機可能很快就能破解許多保證我們網上信息安全的系統。由於這些風險，研究人員已經在努力開發能夠抵禦量子黑客攻擊的技術，而另一方面，基於量子的密碼系統可能比傳統的類比法更安全。

『捌』 量子計算機是怎樣運行的

從原理上講, 經典計算可以被描述為對輸入信號序列按一定演算法進行變換(邏輯門操作) 的物理過程。 基於經典比特的非 0 即 1 的確定特徵，經典演算法是通過經典計算機(或經典圖靈機)的內部邏輯電路加以實現的。 而量子計算， 則是基於量子比特的既 |0> 又 |1>相干疊加特徵，對可由量子疊加態描述的輸入信號,根據量子的演算法要求，進行叫做「量子邏輯門操作」的幺正變換。 這是一個被人為控制的、以輸入態為初態的量子物理演化過程。對末態 — 輸出態進行量子測量，給出量子計算的結果。 顧名思義，所謂的量子計算機(quantum computer) 就是實現這種量子計算過程的機器。

『玖』 處於全球產業風口上的量子計算機，它究竟是如何工作的呢

簡單來說，普通電腦的計算過程採用的是二進制系統，而量子態允許的是將更復雜的信息編碼成單個數位。量子計算機的主要構件是一個「量子位」，也就是說是一個量子對象，因此可以處於無數個狀態。任何具有量子特性的東西，如電子或光子，都可以作為量子位，只要計算機能夠隔離和控制它。

量子計算機正在不斷地完善

量子計算領域還有許多未知因素。憑借傳統的計算機技術，摩爾定律確保了每兩年左右的晶體管數量增加一倍。但是與量子機器相關的復雜電子學目前還沒有類似的預測，對此，許多工程師預計，在未來，人類仍將僅限於對具有相對較少量子位的機器（可能只有幾百個）進行應用。因此，他們也正在集中精力研究適用於預計在不久的將來可用的適度大小的量子系統的演算法。

『拾』 量子計算機是怎樣運算的

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！