量子计算简介：月光沙龙第30期精华纪要

作者: 沛文沛语 | 来源:发表于2019-05-28 10:51 被阅读6次

内容整理自月光沙龙第30期分享嘉宾丁泳的分享

1.量子计算的原理

狄拉克用下面两个符号来表示粒子自旋的两个基本状态上旋或下旋：

|0>和|1>

量子叠加（quantum superposition）

①指一个量子系统可以处在不同量子态的叠加态上

a|0> + b|1>

and

|a|^2 + |b|^2= 1

②薛定谔的猫

量子纠缠（quantum entanglement）

当几个粒子在彼此相互作用后，由于各个粒子所拥有的特性已综合成为整体性质，无法单独描述各个粒子的性质，只能描述整体系统的性质。

假设一个零自旋中性π介子衰变成一个电子与一个正电子。这两个衰变产物各自朝着相反方向移动。电子移动到区域A，在那里的观察者“Alice”会观测电子沿着某特定轴向的自旋；正电子移动到区域B，在那里的观察者“Bob”也会观测正电子沿着同样轴向的自旋。在测量之前，这两个纠缠粒子共同形成了零自旋的“纠缠态” ，是两个叠加，以狄拉克标记表示为直积态（product state）的

2：量子测量 (quantum measurement)

量子世界中不存在安静的暗中观察者，测量不是被动地读取信息，而会根本地改变被测物体的状态。它最简单的表现就是“海森堡不确定关系”。量子测量的这种必须干扰被测物体的诡异属性使得人们从量子系统中获取信息变得极其困难。实际中，我们制造量子计算机遇到的大部分难题最终都能归结到量子测量。

3.量子计算模型和物理实现

量子线路模型

量子线路模型是和经典线路并行的模型，无论是它使用的语言还是构造方法都和经典计算相似，只需要将经典的逻辑门换成量子的逻辑门即可。

一个量子计算的过程，可以表示成整体系统的幺正变换（中间无测量，测量放到最后）

任意系统的幺正变换都可以表示成两比特受控非门（CNOT）和单比特旋转门生成的组合，这个组合过程就是量子线路

绝热退火模型

①量子隧道效应

指的是微观粒子有一定几率穿过不可能穿越的壁障，出现在壁障的另一端的情况。因为一个微观量子并不存在一个精确的位置，而是以一定概率分布在一片区域，化学上的电子云概念就是这样的。

②量子绝热定理

如果量子系统初始处于该系统的基态，足够缓慢地变化系统的哈密顿量，系统如果有能隙保护将一直处于基态。

系统初始哈密顿量的基态非常容易获得，将系统哈密顿量缓慢的从初始哈密顿量变到待求的哈密顿量，根据量子绝热定理，如果初始系统处于基态并且哈密顿量变化足够缓慢，则末态就是要求的基态。

很多问题都可以映射到求解某个哈密顿量的基态问题上，特别是一些求极值的组合学问题可以非常方便地得到相应的哈密度量。

D-Wave的机器具有128个量子比特，用三维伊辛模型来设置我们给定的初始状态，也就是设置好初始位置和自旋，这相当于给计算机编程。然后添加一个磁场，让量子进入叠加状态，然后慢慢撤掉这次磁场（即所谓退火），最终得到的状态就是结果，这个过程中，大自然就会自己帮我们计算，这就是量子计算的神奇之处。同样的任务执行4000次，得到的最优解就是D-Wave的计算结果。