量子计算机是如何工作的

量子计算机正以极快的速度进入IT领域并促进技术发展。量子计算机的概念是基于物理学的量子理论。

预计量子计算机将提高计算能力，这意味着用普通计算机系统求解至少需要一年才能解决的计算，可以用量子计算机在几秒钟内解决。这就是量子计算的力量。在谷歌等一些大品牌中，量子计算机已经成功开发并进行了实验。虽然它是一个非常强大的计算机系统，但结构和使用方法太复杂。因此，非技术人员将无法操作和理解它。目前，它仅供研究人员和科学家使用。尽管如此，这项工作仍在进行中，以便为即将到来的时代建立一个非常迷人和强大的计算机系统。这项研究是在这样的计算机上进行的，因为它是一个非常优化、复杂和迄今为止最快的计算机系统之一。挑战仍在发生，这些挑战在未来可能成为障碍，因此要使量子计算机达到最佳版本，还需要做更多的工作。

在这里，我们将讨论量子计算机系统的工作过程，以及了解量子计算机工作时应该充分理解的基本概念。

量子计算机简介

在了解量子计算机的工作原理之前，人们应该对量子系统有一个简单的介绍。量子计算机是一种计算机系统或设备，用于计算普通计算机系统无法处理或可能需要一百年才能解决的复杂问题。量子计算机遵循物理学的量子理论。物理学的量子理论深刻地描述了自然。这种特性使量子计算机能够工作并处理复杂的问题。到目前为止，我们已经了解到计算机是以两个二进制位(0和1)的形式来理解数据，量子计算机也是如此，但量子计算机以量子位(0或1)的形式接受输入，这意味着它只接受一个值作为输入。因此，在经典计算机系统中，比特是最小的单位，而在量子计算机中，量子位是数据处理的最小单位。这种差异使得量子计算机的性质和行为更加复杂。

量子计算机的概念

量子计算机依赖于量子计算的概念，而量子计算又进一步以量子信息科学为基础。基本上，在讨论量子计算机的概念时，应该记住以下基本原理。

因此，量子计算机存在以下基本现象:

1)量子位元:也被称为量子比特。如上所述，这些量子比特是量子计算机中的存储单元和数据表示单元。在传统计算机中，它使用位来存储和表示0和1形式的数据。在量子计算机中，数据要么以0或1的形式表示，要么同时以0或1的形式表示。此外，量子位与位不同，因为量子位可以保持在中间状态，直到它不被读出。量子位有0和1的概率，除非它被测量。这些量子比特被用来表示原子、离子、光子或电子及其相关的控制设备，这些控制设备一起处理和工作，充当计算机处理器或计算机存储器。

2)叠加:用户提供的数据在量子计算机中以量子比特的形式进行编码，这些量子比特继承了并行性。由于这种并行性，量子系统能够在一次尝试中计算数百万次计算。

叠加的概念是量子比特的同时定位。这意味着量子比特(0和1)是硬币的两面，当旋转硬币时，任何一个结果都被定位。它可以是0或1。量子比特的默认状态是0，这意味着它从0开始，并随着测量结果的变化而变化。

3)纠缠:在量子物理学中，有一个纠缠的概念，没有这个概念，量子比特和叠加就不够强大。量子计算机的真正魔力仅仅始于“纠缠”。“纠缠”这个词描述的是距离对量子比特来说无关紧要。这意味着量子比特之间的键是非常强的，这些量子比特即使彼此相距很远也会相互影响。量子物理学的这种方面被称为阿尔伯特·爱因斯坦所说的“幽灵般的超距作用”。这些量子比特是相互依赖的。

根据纠缠理论，当增加量子位的数量时，这些相关性的数量以指数方式增长。例如，有2个ⁿn个量子比特的相关性。这使得量子计算机有可能解决高度复杂的问题，而这些问题对于经典计算机来说只是一个希望。

因此，量子物理学的这三个方面构成了量子计算机的力量。其中三个完成了量子计算机的工作。

量子计算机的工作原理

数据表示单位是量子系统的量子位。该系统在测量之前通过确定物体状态的概率来执行计算。这些量子比特是叠加的，也是纠缠的。为了制造功能性量子比特，这些系统应该冷却到接近绝对零度。在这种情况下，量子比特是过冷的，它们在很长一段时间内不会保持相干性(纠缠态)。这就是创建额外复杂编程的原因。因此，对于量子系统的编程，不同类型的逻辑门是按顺序使用的。然而，这些程序需要执行得太快，以至于量子比特的相干状态保持到被测量为止。量子比特的状态可以用三个轴x、y和z表示，其中的状态是沿着这三个轴的值的组合，即叠加。

因此，当量子比特处于叠加状态时，事件发生1或0的概率会发生变化。一旦一个量子比特在任何状态下被读取，它就会失去关于另一个状态的信息。例如，如果量子比特的状态被读取为0，那么它将失去关于状态为1的所有信息。我们已经知道量子比特的起始状态是0。后来，使用Hadamard门(一种逻辑门)，它被移动到中间状态，因此量子比特的状态值在一半的时间内被读取为0，然后在另一半时间内被读取为1。其他逻辑门用于在三个轴上以不同的量向不同的方向翻转量子比特状态。有三个轴，其中两个轴是0和1，第三个轴表示相位，还提供了一些额外的可能性来表示信息。你可以从下图中了解量子比特状态的工作原理。

但是，如果没有纠缠，量子比特和叠加的力量是不完整的，因为这个概念会带来多个巨大的潜在收益，例如:

1. 距离不会在执行操作时造成任何障碍。
2. 执行一个庞大且高度复杂的程序是可能的，但不是针对所有问题，而是针对某些类型的问题。
3. 创建一个复杂分子和材料的模型，这是不可能或似乎很难用经典的计算机系统模拟的。
4. 在即将到来的时代，量子系统将变得足够强大，可以大规模地维持量子态，在长距离中创新安全通信。

在编程的情况下，具有纠缠的量子计算机通过c-NOT逻辑门开始，该逻辑门通常被编程并用于翻转纠缠粒子的状态，如果它的伙伴值被读取为1，但它只在测量时执行。

量子计算机的类型

有以下类型的量子计算机，这些类型是由IBM实现的:

量子退火炉

与其他两种类型的量子计算机相比，这是一种具有最低功率的类型。但是，它是所构建的最简单的类型，只能执行一个特定的功能。该系统是由递波9(一家加拿大公司)，但它不确定它是否获得了任何真正的量子。2015年12月，谷歌在测试后也对D-Wave量子系统表示赞赏，并表示，D-Wave系统在测试时解决问题的速度是超级计算机的3600倍。尽管如此，量子退火器的优势并没有在传统计算机上得到证明。

模拟量子

它比Annealer系统更强大，后者能够模拟复杂的量子相互作用，可以与任何传统系统相互作用。预计模拟量子系统将能够容纳50到100个量子比特。

通用量子

它是三种量子计算机中最强大的一种。因为它是最强大的意味着最难建立。建立一个足够强大的系统的工作正在进行中。因此，它需要应对某些艰难的挑战。按照目前的情况，通用量子计算机将能够容纳10万个物理量子比特。通用量子比普通的经典计算机要快很多倍。但是，它需要面对和拥有各种挑战。该系统使用量子力学来处理大量数据，并以最强大的方式进行计算。

因此，量子计算机的未来是非常光明的，一定会大幅增长市场。它将变得能够协调和工作人工智能密码学、机器人、制药以及国防。量子计算机的市场规模可以达到万亿美元，但“通用量子”何时上市仍是未知数。然而，量子计算机领域的工作和进展正在进行，预计它将在未来五年内引领世界。