一文带你了解量子计算的力量

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量子计算机是利用量子物理学概念来处理数据并将其作为信息输出的计算机,就像普通计算机的工作方式一样,但使用原子粒子。

作为技术人员,我们知道有有四项技术一直在进行着巨大的进步——区块链、人工智能、物联网和量子计算机。本文中,我们将讨论量子计算机,包括它的含义,如何工作,它们将如何使用等。

什么是量子计算机?

量子计算机是利用量子态的集体属性(例如叠加、干涉和纠缠)来执行计算的设备。

要完全理解量子计算机,你必须了解量子物理学(至少是简单的了解它的原理)。量子计算机之父理查德·费曼曾说过一句话——“如果有人告诉你他们了解量子力学,那么他们就不了解量子力学”。因此,从本质上讲,没有人了解量子物理学,即使是先驱者。

量子物理学是处理粒子(即质子、电子等)在量子领域中的行为和相互作用,以及它们如何影响我们的物理世界的物理学。随着当量子物理学的概念被用来操纵粒子进行计算时,量子计算就出现了,然后就产生了量子计算机。

简而言之,量子计算机是利用量子物理学概念来处理数据并将其作为信息输出的计算机,就像普通计算机的工作方式一样,但使用原子粒子。

量子计算机如何工作?

要充分了解量子计算机的工作原理和执行处理方式,必须首先了解传统计算机如何处理数据。

传统计算机通过二进制(即 0 和 1,开或关)处理数据,这些 0 和 1 被设计并实现到逻辑门中,这些逻辑门的核心只是指导使用 0 和 1 处理数据的简单规则。

目前,传统计算机使用晶体管来物理处理数据,晶体管只是许多逻辑门的物理实现,这些逻辑门旨在执行命令/数据的处理。例如,你有一个门铃,帮助门铃工作的电路由一堆晶体管组成,这些晶体管的排列(设计)方式是,一旦你按响门铃,就会播放声音供人们听到。

现在,晶体管和逻辑门之间的关系的核心类似于雕塑家在开始雕刻之前的草图。因此,逻辑门就像一种勾勒出晶体管在系统(如计算机、手机、手表、相机等)中的排列方式,然后使用晶体管在物理系统(计算机、手机、手表、相机等)中实现设计的晶体管。

量子计算机的核心工作方式与普通/经典计算机有些相似。但是它们不像普通计算机那样使用二进制(0 和 1),而是使用称为量子比特的东西,量子比特就像普通计算机的比特(这些是 0 和 1)一样。

我将用一个类比来解释 Quibits,普通计算机的位(0 和 1)就像一枚硬币,有 2 个面,0 是一张面(可能是正面),1 是另一张面(可能是反面)。当计算机处理数据时,就如硬币被抛出,它可以落在头正面(0)或反面(1)上,这就是经典计算机的工作方式。

对于量子计算机来说,量子比特不是有 0(正面)和 1(反面),而是同时是 0 和 1,所以普通计算机有 2 位(0 和 1),量子计算机有一个位可以同时完成 0 和 1 的工作。

前面提到,量子计算机是通过使用量子物理学的概念操纵量子粒子来处理数据的计算机。现在量子计算机可以同时是 0 和 1,这是由于量子物理学中一个叫做叠加的概念,这是一个微小物体可以同时存在于多个地方或状态的概念。这可能有点复杂,但它解释了量子比特如何同时是 0 和 1。

回到我们之前的硬币类比,传统计算机的比特就像一枚硬币,有 2 个面,每个面代表一个比特(0 和 1)。量子计算机就像一枚正在旋转的硬币。它同时是硬币的两个面(0 和 1)。

量子计算机不是由显示器、键盘等组成的,所以它不会像普通计算机那样处理数据,而是量子计算机设计适合问题的逻辑门,然后通过实现量子比特用于解决问题。

量子计算机面临的挑战

1)算法

要使量子计算机或任何类型的计算取得成功,都需要算法。算法只是一组游戏规则,为了实现某些目标而必须遵循这些规则。

量子计算机在解决现实生活中的问题方面将比超级计算机更快,但要解决这些问题,他们需要算法,而由于量子计算机的复杂性,这些算法还不够成熟。

不过,科学家们正在研究可以在量子计算机上优化的算法,以此来推进量子计算机的应用。

2)稳定性和扩展性

为了让量子计算机有效地实现其目标,需要大量的量子比特。

但是,为了让量子比特高效工作,就需要它们处于恒定的叠加状态。但是,将它们冻结在这种状态需要大量资源,因此,要解决量子计算机优化的大型计算密集型任务,必须构建和维护数千个量子比特,这将非常耗费资源。

幸运的是,稳定量子比特(quantum bits)的研究正在进行中。

3)学习理解难度大

为了让量子计算机成为主流,即量子计算机实现它计划解决的大目标,如高效的天气预报、太空探索、原子粒子建模、数据模拟等,人们必须为它构建算法。

对于人们来说,要为量子计算机构建算法,那么人们必须了解量子计算机是如何工作的,但问题是量子计算机是建立在量子力学概念之上的,理解量子力学概念并不完全像背诵你的ABC。

幸运的是,人们对量子计算机的认识越来越高,因此预计量子计算机的信息和教程将逐渐成为主流。

原文标题:Understanding the Power of Quantum Computing

原文作者:edemgold

责任编辑:张诚
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