什么是量子计算?
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2024-04-26
量子计算是一种利用量子力学原理来进行信息存储和处理的新型计算方式。传统计算机使用二进制位(比特)作为信息的基本单元,而量子计算机则使用量子位(量子比特或称为qubit)来储存和表示信息。
量子位可以处于多种状态的叠加态,不仅能表示0和1两种经典位的状态,还能同时表示多种中间态,从而实现并行计算。
通过量子纠缠与量子叠加等特性,量子计算机能够在处理大量数据和复杂问题时具备突破传统计算能力的潜力,从而提供更快速和高效的解决方案。
有以下参数:
量子比特数:这个是个比较直观的指标,衡量量子计算机同时能够操控的最大的量子比特数,这个数量越多越好。现在的量子计算机的新闻,也是主要比的这个指标。
保真度测量:我们知道,量子计算机通过操纵比特的状态来执行计算——将量子比特从|0>更改为|1>,将|1>更改为|0>。而由于环境噪声及量子处理器自身品质的影响,实际量子处理器执行结果往往与理想情况下经过量子门操作得到的结果有一定的偏差。保真度就是衡量这种偏差的性能指标。保真度数值越大,代表偏差越小,系统的计算结果就越好。
相干性:量子比特保持量子态和耦合态的性质,这个我们前面已经很详细的说过了。
串扰:串扰是通信学中的常见现象,当两条通信线路离得过劲的时候,就容易出现它们承载的信号混在一起的现象。比如我们以前的电话串线等等。在量子计算的领域表示量子比特和其他不该发生关系的介质(比如环境,或者其他附近的量子比特)发生了耦合的现象。应该尽量避免。
QV就是由包括上述指标在内的一系列指标计算出来的一个综合指标。简单来说,量子计算机的QV越大,它可以解决的问题就越复杂。
除了量子比特的数量和可以执行的操作数量称为量子电路的宽度和深度。量子计算机越宽,并行计算的能力就越强;而量子计算机越深,计算机可以运行的算法就越复杂。
量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。对照于传统的通用计算机,其理论模型是通用图灵机;通用的量子计算机,其理论模型是用量子力学规律重新诠释的通用图灵机。从可计算的问题来看,量子计算机只能解决传统计算机所能解决的问题,但是从计算的效率上,由于量子力学叠加性的存在,某些已知的量子算法在处理问题时速度要快于传统的通用计算机。
据报道,美国高级情报研究计划署(IARPA)近期准备准备投入巨资制造一部100个量子比特量子计算机,速度要比目前最快的计算机快10000倍。这是中国首台量子计算机震撼问世之后美国的推出的一个应对性大动作。根据计划,该项目重点是算法和新硬件的设计和测试,并根据需要有针对性的设计出一套量子计算框架、“量子退火”处理器、多量子比特耦合器以及量子计算机构件连接方法等。
能级简并度计算公式:En的简并度为∑(2l+1)=nl=0n12。简并是指被当作同一较粗糙物理状态的两个或多个不同的较精细物理状态。例如在量子力学中,原子中的电子,由其能量确定的同一能级状态,可以有两种不同自旋量子数的状态,该能级状态是两种不同的自旋状态的简并态。
在统计物理学中,宏观上由压强、体积、温度确定的同一宏观热力学状态,在微观上可以对应大量不同的微观状态,该热力学状态是这些微观状态的简并态。简并在量子力学和统计物理中的意义不同,在统计物理中,简并是指量子效应明显的体系。
原子级芯片和量子级芯片的区别如下:
1. 原理不同:原子级芯片采用单个原子作为晶体管的建设单元,利用传统的电子学原理实现,而量子级芯片则是利用量子力学基本原理,通过构造量子比特实现数据的存储和处理。
2. 应用领域不同:原子级芯片应用领域主要是射频电路和太赫兹领域,比如制造高频率的天线和雷达等设备;而量子级芯片的应用领域包括密码学、计算化学、优化问题的求解等等。
3. 制造工艺需要的技术不同:原子级芯片的制造需要基于干涉和操控原子的技术,需要非常精密的仪器和设备;而量子级芯片的制造则需要建立类似于实验室的特殊环境和技术,例如需要低温环境、精密控制系统等等。
4. 数据处理的方式不同:原子级芯片和传统计算机一样,采用逐步执行指令的方式,即一步步地执行计算指令的每个步骤;而量子计算机则采用并行处理的方式,即一次性处理整个问题的所有可能的解决方法,能够大幅提高数据处理速度和效率。
综上所述,原子级芯片和量子级芯片虽然都是相当先进的技术,但是在原理、应用领域、制造工艺需要的技术和数据处理方式等方面都有很大的区别。