量子计算机如何在电脑上操作

‘壹’ 关于量子计算机

量子计算机，顾名思义，就是实现量子计算的机器。是一种使用量子逻辑进行通用计算的设备。不同于电子计算机（或称传统电脑），量子计算用来存储数据的对象是量子比特，它使用量子算法来进行数据操作。
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。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。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。
一般认为量子计算机仍处于研究阶段。 然而2011年5月11日, 加拿大的D-Wave System Inc. 发布了一款号称 “全球第一款商用型量子计算机”的计算设备“D-Wave One”。 该量子设备是否真的实现了量子计算还没有得到学术界广泛认同。2013年5月D-Wave System Inc宣称NASA和Google共同预定了一台采用512量子位的D-Wave Two量子计算机。
2013年5月，Google和NASA在加利福尼亚的量子人工智能实验室发布D-Wave Two。
2013年6月，中国科学技术大学潘建伟院士领衔的量子光学和量子信息团队的陆朝阳、刘乃乐研究小组，在国际上首次成功实现用量子计算机求解线性方程组的实验。
量子计算机体积、功耗、发热更小。
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‘贰’ 量子计算机的原理

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。

常识告诉我们：原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。

想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。

从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算，普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算（如果集合中只有一个元素，量子计算与经典计算没有区别）。

以函数y=f(x)，x∈A为例。量子计算的输入参数是定义域A，一步到位得到输出值域B，即B=f(A)；经典计算的输入参数是x，得到输出值y，要多次计算才能得到值域B，即y=f(x)，x∈A，y∈B。

量子计算机有一个待解决的问题，即输出值域B只能随机取出一个有效值y。虽然通过将不希望的输出导向空集的方法，已使输出集B中的元素远少于输入集A中的元素，但当需要取出全部有效值时仍需要多次计算。

(2)量子计算机如何在电脑上操作扩展阅读：

2017年5月，中国科学院宣布制造出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机，研发了10比特超导量子线路样品，通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。

此原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有实验机加快至少24000倍，比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10-100倍，虽然还是缓慢但已经逐步跨入实用价值阶段。

2017年7月，美国研究人员宣布完成51个量子比特的量子计算机模拟器[23]。哈佛大学米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）在莫斯科量子技术国际会议上宣布这一消息。量子模拟器使用了激光冷却的原子，并使用激光将原子固定。

2018年6月，英特尔宣布开发出新款量子芯片，使用五十奈米的量子比特做运算，并已在摄氏零下273度的极低温度中进行测试。

‘叁’ 量子计算机运行原理

就是用量子比特代替原来的普通比特。
从物理层面上来看，量子计算机不是基于普通的晶体管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如质子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（学校实验大多用这个）等等作为载体。当然从理论上来看任何一个多能级系统都可以作为量子比特的载体。
从计算原理上来看，量子计算机的输入态既可以是离散的本征态（如传统的计算机一样），也可以是叠加态（几种不同状态的几率叠加），对信息的操作从传统的“和”，“或”，“与”等逻辑运算扩展到任何幺正变换，输出也可以是叠加态或某个本征态。所以量子计算机会更加灵活，并能实现并行计算。
要解释细节的话有些麻烦， 给你些关键词可以去查：
1. 量子态， quatum State 
2. 量子叠加态， Quantum superposition
3， 量子比特， Qubit
4, 幺正变换 Unitary Transformation
5， 量子逻辑， Quantum Logic
6, 量子门， Quantum Gate (对应于传统的逻辑门，其实就是一些特殊的正变换)
7, 量子算法， quantum Algorithm (当然量子计算机也能实现传统的算法)
8, 然后关于从物理层面如何实现的最好从量子光学开始， 因为偏振的光子是最简单的。

‘肆’ 量子电脑应用的是什么原理

大约到2030年，每个人桌上的电脑主机不会再使用芯片与半导体，而是充满液体。而这正是新一代量子电脑的奇特造型。

也许你已经知道，量子电脑应用的不再是现实世界里的物理定律，而是玄妙的量子原理。它的运算速度可能比目前个人电脑的奔腾Ⅲ芯片快10亿倍，可以在二瞬间搜寻整个国际网络，也可以轻易破解任何安全密码。而且，最重要的一点是，这一切绝非科幻小说。与传统电脑不同的是，量子电脑将以原子而非芯片进行运算。第一台量子电脑可能会是个粗糙、昂贵、只能用一次的科学实验品，但2001年以来的各种实验结果显示，这项科学理论的确管用。

美国麻省理工学院与英国牛津大学是量子电脑研究的先驱，IBM与惠普电脑公司也不落人后。对量子电脑的惊人性能感到担忧的美国政府，更是在洛斯阿拉莫斯国家实验室，不计成本地设立了量子电脑研究基地。

要让原子乖乖地为人类服务这个难题，无论是在理论上，坯是在实践上，都对科学家发出了严峻挑战。因为量子世界是个超乎常理的环境，我们可能永远也猜不出它的“谜底”。量子电脑也有很多匪夷所思的地方，它能够设想无限多个宇宙并列的场面，并由此“算出”可能出现的各种情况。而这意味着，不同的人在不同的时间，通过量子电脑计算得到的，很可能是不同的答案。

量子电脑专家班奈特说，量子电脑的基础，恰恰就是这些怪异的观念。因此，单是创造一个类似量子世界的环境，让原子照常进行计算并提供答案，就足以让科学家伤透脑筋。也许还要好几十年，量子电脑才会出现在我们的书桌上。

其实科学家早已注意到，原子是个天然的计算机。它会旋转，而且很有规律，方向不是朝上就是朝下，这正好与数字科技的“0”与“1”吻合。但原子有一个怪异的特性：一个原子，可以在同一时间向上并向下旋转，直到你用电子显微镜或其他工具测量它，才会迫使它选择一个固定方向。这既是原子的特异功能，也是量子电脑强大力量的来源。

既然原子可以同时向上并向下旋转，它就不能被视为单一的“位元”。科学家称之为“准位元”，就是出于这个原因。这意味着，如果把一群原子聚在一起，它们不会像今天的电脑那样，按照程序进行线性运算，而是同时进行所有可能的运算。这种运算方式的直接好处是计算机的运算速度成指数地加快了。

只要40个原子一起计算，其性能就相当于今天的一部超级电脑。举例来说，如果有一个包含全球电话号码的资料库，要从中寻找一个我们需要的特定号码，现在速度最快的超级电脑，大约要花一个月的时间才能完成任务，而一台量子电脑只需27分钟。

但是，答案那么多，速度那么快，我们怎么取回想要的计算结果呢?前面说过，对原子进行测量可以迫使它选择旋转方向，因此科学家只要测量这些“准位元”，就可以逼迫它们说出答案。

最近，麻省理工学院与mM公司的科学家，终于通过特定方式，做出了原始的量子电脑。虽然它看上去和一个烤面包机没有多大差别，但功能却比烤面包机高明多了。这个实验性质的量子电脑，具有两个“准位元”的计算能力。也就是说，它的威力等于两个原子同时进行运算。目前，科学家们正在朝三个“准位元”的目标努力。

‘伍’ 量子计算机是怎样的工作原理，以后会代替传统计算机吗

1、相比传统计算机物理硬件上，使用晶体管表示0或1的比特二元状态；量子计算机的硬件可以以两种状态存在。量子比特这种“叠加”的特性，使得量子计算可以沿多条路径前进，而传统计算机一次只能选择一条路径。

量子比特的数字表示方法与传统的完全不一样，一个量子比特包含多个可能的值。

2、量子的“纠缠”和“干涉”的特性，可以一次性的验证量子比特里哪个结果是正确的。

量子比特里包含的多种信息，可以一次性的得出哪个数字是对的。

量子计算机的新闻铺天盖地，作为小白的我们，那些术语看来看去，有点摸不着头脑。我们试着用直白的语言，来简单的说说，量子计算机为什么要比传统计算机快？

量子计算机怎样工作？

传统计算机使用晶体管的特性（类似于开关），其有两种状态，要么开，要么关。这个基本的一个单位，我们称之为比特，在数学上，可以用二进制的0、1来表示。这是计算机最底层硬件的信息表示方式。

而量子计算机，使用量子“叠加”、“纠缠“、”干涉”的物理特性，进行计算而设计的硬件。相对于传统计算机的二进制，量子计算机需要特殊的算法来实现数学的运算。这些数学算法不是小白重点关注的问题，我们一起来看看为什么它很快。

举个例子

我们来看一个查找正确密码的例子：

走出迷宫的最佳路径

量子计算机发展到什么程度了？

现在最稳定、最大的量子计算系统，还没有实用价值。量子状态的稳定和操作，现今还是一件很困难的事。因为量子状态容易被破坏、量子特征持续有限等原因，量子计算的研究还在发展中。

如果某一天这些问题都很好的解决了，也就是所说的“量子霸权”，量子计算就能派上大用场，经典加密技术在它面前会不堪一击。当人工智能、机器学习与量子计算结合，可能会有很大的突破。

‘陆’ 量子计算是如何工作的呢

量子计算机根据物体在被测量前状态的概率进行计算——而不是仅仅1或0——这意味着它们有潜力处理比传统计算机指数级更多的数据。

量子计算的霸权就目前而言，经典技术可以处理任何交给量子计算机的任务。量子优势是指量子计算机超越经典计算机的能力。一些公司，如IBM和谷歌，声称我们可能已经接近了，因为他们继续把更多的量子位堆积在一起，并制造出更精确的设备。

并不是每个人都相信量子计算机值得付出努力。一些数学家认为，有些障碍实际上是不可能克服的，所以使量子计算有可能是永远无法触及的。

‘柒’ 量子计算机有什么用它是如何运作的

当量子力学遇到电子计算机，量子计算机就诞生了。计算机的最小单位是一个比特。由于计算机是二进制的，这个比特要么是1，要么是0，没有其他选择，比如说信息。1010，包含四个比特，八个比特组成1B，1024B等于1K，1024K等于1M，1024M等于1G，以此类推。量子计算利用亚原子粒子的不可分性和不可复制性、量子纠缠和并行计算能力，比传统计算机更快地进行计算，并使用更少的能源。传统计算机使用晶体管（类似于开关）的特性，可以开启或关闭。

量子计算机的运行原理与现有计算机完全不同，使其成为解决特定数学问题的理想选择，如寻找非常大的素数。由于素数在密码学中非常重要，量子计算机可能很快就能破解许多保证我们网上信息安全的系统。由于这些风险，研究人员已经在努力开发能够抵御量子黑客攻击的技术，而另一方面，基于量子的密码系统可能比传统的类比法更安全。

‘捌’ 量子计算机是怎样运行的

从原理上讲, 经典计算可以被描述为对输入信号序列按一定算法进行变换(逻辑门操作) 的物理过程。 基于经典比特的非 0 即 1 的确定特征，经典算法是通过经典计算机(或经典图灵机)的内部逻辑电路加以实现的。 而量子计算， 则是基于量子比特的既 |0> 又 |1>相干叠加特征，对可由量子叠加态描述的输入信号,根据量子的算法要求，进行叫做“量子逻辑门操作”的幺正变换。 这是一个被人为控制的、以输入态为初态的量子物理演化过程。对末态 — 输出态进行量子测量，给出量子计算的结果。 顾名思义，所谓的量子计算机(quantum computer) 就是实现这种量子计算过程的机器。

‘玖’ 处于全球产业风口上的量子计算机，它究竟是如何工作的呢

简单来说，普通电脑的计算过程采用的是二进制系统，而量子态允许的是将更复杂的信息编码成单个数位。量子计算机的主要构件是一个“量子位”，也就是说是一个量子对象，因此可以处于无数个状态。任何具有量子特性的东西，如电子或光子，都可以作为量子位，只要计算机能够隔离和控制它。

量子计算机正在不断地完善

量子计算领域还有许多未知因素。凭借传统的计算机技术，摩尔定律确保了每两年左右的晶体管数量增加一倍。但是与量子机器相关的复杂电子学目前还没有类似的预测，对此，许多工程师预计，在未来，人类仍将仅限于对具有相对较少量子位的机器（可能只有几百个）进行应用。因此，他们也正在集中精力研究适用于预计在不久的将来可用的适度大小的量子系统的算法。

‘拾’ 量子计算机是怎样运算的

量子计算机是通过量子分裂式、量子修补式来进行一系列的大规模高精确度的运算的。其浮点运算性能是普通家用电脑的CPU所无法比拟的，量子计算机大规模运算的方式其实就类似于普通电脑的批处理程序，其运算方式简单来说就是通过大量的量子分裂，再进行高速的量子修补，但是其精确度和速度也是普通电脑望尘莫及的，因此造价相当惊人。目前唯一一台量子计算机仍在微软的硅谷老家中，尚在试验阶段，离投入使用还会有一段时间。量子计算机当然不是给我们用来玩电子游戏的，因为这好比拿激光切割机去切纸大材小用。它的主要用途是例如象测量星体精确坐标、快速计算不规则立体图形体积、精确控制机器人或人工智能等需要大规模、高精度的高速浮点运算的工作。但是在运行这一系列高难度运算的背后，是可怕的能量消耗、不怎么长的使用寿命和恐怖的热量。假如1吨铀235通过核发电机1天能提供7000万瓦伏电量，但这些电量在短短的10天就会被消耗殆尽，当然这也只是最保守的估计；试想如果一台量子计算机一天工作4小时左右，那么它的寿命将只有可怜的2年，如果工作6小时以上，恐怕连1年都不行，这也是最保守的估计；假定量子计算机每小时有70摄氏度，那么2小时内机箱将达到200度，6小时恐怕散热装置都要被融化了，这也还只是最保守的估计！