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聽上去很酷炫的量子計算到底是如何工作的?

談及量子計算, 我們會經常聽到許多概念, 比如疊加、糾纏等。 有人把它描述為“關於浪漫、諷刺、數學和語言的網路漫畫”。 當某個主題在哲學上足夠令人興奮、在數學上足夠複雜時,

就很容易讓人產生怪誕的想法, 比如量子。 今天, 我們就讓IBM 研究院的幾名同事向大家解釋量子計算的一些流行詞彙, 同時簡要介紹一下量子計算的原理。

首先我們來說一說疊加。 實際上, 疊加現象在我們的日常生活中隨處可見。 想像一下, 用吉他演奏兩個音符, 我們聽到的聲音就是兩個音符的疊加。 量子疊加也是狀態的組合, 關鍵不同之處在于執行測量時的結果。 儘管系統確實處於符合定義的疊加狀態, 但在針對這些系統執行特定測量時, 結果仍舊是隨機的。 因此非常有趣的是, 我們實際觀察到的是量子隨機的一種特殊形式。 Antonio Corcoles-Gonzalez 是 IBM Q 團隊的成員之一, 他對此的研究更為透徹:

經典隨機性與量子隨機性

接下來我們再來聊聊糾纏。 在糾纏的概念中, 我們無法將兩個糾纏的粒子獨立開來描述。 他們的狀態相互依存, 因此無法在現實世界中重新構造。 如果我們對其中一個進行測量, 可能會發現它的表現具有隨機性, 但如果使用相同的方式對另外一個進行測量, 就會出現預期的結果。 正如 IBM 的研究員 KristanTemme 在下面的視頻中所說的那樣, 如果我們測量銀河兩個相對端的糾纏粒子, 就會發現總是存在著這種理想的關聯現象。 因此, 充分利用計算糾纏性是加速量子電腦速度的關鍵所在。

量子糾纏

那麼, 量子電腦到底是如何計算的呢?

關於這一點, IBM 研究員 David Gosset 的解釋是目前最受認可的說法。 與經典計算一樣,

您需要一個能夠體現問題解決方法的指令集(即演算法), 還需要一個可以執行這些指令的機器(即電腦)。 實際上, 量子電腦能夠構建疊加、糾纏及其他量子效應, 因此我們編寫演算法的方式與經典電腦完全不同。

量子演算法

最後, 如何通過 IBM Q 體驗在真正的量子電腦上實現我們想要完成的操作(即構建疊加、糾纏等效應)?

你可以使用量子門, 或者能夠改變量子比特狀態的操作。 IBM 科學家 Sarah Sheldon 是量子門領域的專家, 對該領域有著深入的研究。 在下面的視頻中, 她將通過三個示例解開量子電腦的神秘面紗。

量子門

IBM 院士、量子資訊理論之父 Charlie Bennett 曾說過:“我們要做好準備, 打破常規, 去思考這個世界。 ”通過前面的介紹, 相信你將會更深切地體會到這句話的內涵。

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