基于量子计算机的原理与应用

摘  要：文章以基于量子计算机的原理与应用为研究对象，首先从“比特”、“量子比特”概念普及入手，分析了量子计算机为何具备强大的信息处理能力，随后介绍了“量子退火算法”，以此完成了量子计算机原理总结，最后简单介绍了量子计算机的应用，以供参考。

关键词：量子計算机;原理;应用

前言

量子力学认为，微观物体可以是一种“似是而非”的状态，即一个原子可以同时处于两种状态。因此对于一个量子比特而言，可以存储2种状态的信息。这使得量子计算机性能会随着量子比特的增加呈指数增长，而传统计算机只能呈线性增长。总会有一个临界点，促使量子计算机计算性能会超过传统计算机。

一、量子计算机原理

相较于普通计算机而言，量子计算机核心特点就在于它是在基于量子力学规律的基础上进行高速逻辑计算的一种装置，如果某种装置运行的是量子算法，处理的是量子信息，那么我们就可以称之为量子计算机。为了更好的认识量子计算机的原理，我们不妨从以下几方面入手：

首先，我们应了解一个概念：什么是“比特”？计算机在实际进行信息处理时，主要通过控制计算机晶体管高低电平来实现。众所周知，计算机通过二进制“1”和“0”来进行信息处理，而“1”代表的是高电平，“0”代表的是“低电平”，连续保存一系列二进制信息，事实上就是计算机信息存储的过程。而每个“1”或“0”就是一个“比特”，这是计算机数据存储最小的单位。也就是说，在同一个时间维度里，一个比特只能代表一个确定的信息。普通计算机进行信息存储时，假如我们想要保存一组“00”、“10”“01”“11”四个信息，需要占用8个比特来实现。而在量子计算机中，虽然“比特”本身的含义没变，一个比特依然只能代表一个信息，即“0”或“1”，但最大的变化在于，量子计算机中的比特（以下简称量子比特）是处于量子叠加的一个信息单位。通俗来说，量子比特没有确定具体的信息状态，它可能是“1”，也可能是“0”，具体代表的是这两种确定态按照某种权重叠加起来的状态上，这便是量子世界独有的量子态叠加原理，同时也是量子比特的特别之处。基于这一特点，我们能够认识到，量子比特能够同时保存“1”或“0”两个信息，那么上述举例普通计算机需要8个比特才能保存的信息，两个量子比特就可以完成保存。如此一来，量子计算机的信息存储能力将会得到空前的增强。比如在普通计算机中，保存n个单位信息需要n个比特，那么同样是n个量子比特，我们可以保存2n个信息。

另一方面，量子计算机有了强大的信息存储能力，那么该如何对这些信息进行集中处理呢？我们不妨先了解下普通计算机如何进行信息处理：当下普通计算机最为高效的信息处理方法是“并行计算”算法，该算法顾名思义，就是能够同时处理多个比特的信息，对应的还有“串行计算”算法，简单来说就是单个进行信息处理。并行计算算法信息处理虽然效率更高，但实现起来也非常困难。而量子计算机在实际进行信息处理时，采用的也是类似于普通计算机高效信息处理算法，实现对量子比特信息的并行处理。但这种基于量子比特的并行处理算法与普通计算机的并行处理算法仍有明显的差异。例如在处理“00”、“10”“01”“11”这四个信息时，普通计算机的并行处理算法每次只能处理四个信息中的其中一个，而基于量子比特的并行处理算法则能够同时处理上述四个信息，这种量子并行算法比较典型的代表是“量子退火算法”，该算法名字中的“退火”原意是指：将某个物体（一般是金属物体）加热至发光状态后，然后任其在室温状态下慢慢冷却，最终温度与室温相同，这一过程我们称之为“退火”。而量子退火算法我们可以理解为：量子受物质波的影响，它出现的位置可以说是自身附近的任何一处地方，在开始时，我们先向某个量子施加一个扰动，这个过程类似于某金属物体在退火时突然再次升高温度，那么受此次扰动影响，产生的新的数值必然会与原本数值有所不同，那么量子计算机就会对这两个值进行比较，选择其中最优值，通过不断的进行“扰动”，随着扰动次数的增加，必然会出现更优的数值，并且通过择优选择使其最终不断接近“理想值”，最终找出“最优解”。此时量子会恢复至最初的稳定状态，这就类似于金属物体完成退火过程，逐渐恢复至室温。在上述计算过程中，我们可以改动这个扰动的幅度，类似于变更退火的温度，从而促使量子出现在最有可能出现最优解的地方，最终完成量子计算机信息处理过程。

总体而言，“量子退火算法”优势在于，充分利用自然规律，自主寻找最优答案，而我们只需要等待最优的计算结果即可。普通计算机在通过计算寻找最优解时，通常受初始设置数值区间影响，往往会被困在自己设置的数值区间内，得出有可能不是“最优解”，而“量子退火算法”则不同，得益于量子的特性，能够有一定概率跳出初始设置的区间，进而不断接近真正的最优解。不仅如此，由于受量子叠加态的影响，量子计算机能够同时在多个值域上多个位置搜寻最优解，因此实际查找效率也会得到显著的提高，从而大大提升了量子计算机信息处理效率与运算能力。

二、量子计算机应用

通过上文叙述我们可知，量子计算机整体性能方面相较于普通计算机有着非常显著的优越性，但从当下量子计算机实际应用来看，受客观的技术水平限制，依然很难达到预想中量子计算机强大的计算性能。当前量子计算机存在的最大问题便是无法实现对“量子计算”的稳定性控制，通过上文叙述我们可知，正是由于量子的“不可控”性，能够帮助我们寻找最优解，但我们当下的技术水平无法对量子这种“不可控”性进行有效的控制，从而直接导致量子计算机在计算精度方面，明显逊色于普通的计算机。比如全球知名量子初创公司ionQ公司与IBM公司在一次公开的量子计算机大比拼过程中，两家开发的量子计算机运算准确率仅有35%与77%，远远低于普通计算机计算准确率。这还仅仅是在只有5个量子比特的情况下，如果采用成千上万个量子比特进行信息处理，那么以现在的技术水平，量子计算机恐怕无法得出准确的结果。总体而言，当前5个量子比特的量子计算机在实际计算应用方面性能仍不如普通计算机，量子计算机实现广泛应用依然有很长一段路要走。

总结：

综上所述，量子计算机作为一种当下最为先进的计算机，在理论上整体性能要由于普通计算机，但从当前量子计算机实际应用来看，受当下技术条件限制，想要实现广泛应用依然任重而道远。

参考文献

[1]  乔佳韵. 浅析量子计算机的原理与应用[J]. 数字通信世界，2019（6）23-24.

[2]  章岩扉. 量子计算机的原理、发展及应用[J]. 内燃机与配件，2018（7）：230-231.

作者简介：黄思锐，1994.12，男，汉族，广东惠州，硕士，量子计算机。