量子計算機的演算法

① 量子計算機工作原理

量子計算機的工作原理：

量子計算機是一種基於量子理論而工作的計算機。追根溯源，是對可逆機的不斷探索促進了量子計算機的發展。量子計算機裝置遵循量子計算的基本理論，處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法。1981年，美國阿拉貢國家實驗室的Paul Benioff最早提出了量子計算的基本理論。

1、量子比特

經典計算機信息的基本單元是比特，比特是一種有兩個狀態的物理系統，用0與1表示。在量子計算機中，基本信息單位是量子比特（qubit），用兩個量子態│0>和│1>代替經典比特狀態0和1。量子比特相較於比特來說，有著獨一無二的存在特點，它以兩個邏輯態的疊加態的形式存在，這表示的是兩個狀態是0和1的相應量子態疊加。

2、態疊加原理

現代量子計算機模型的核心技術便是態疊加原理，屬於量子力學的一個基本原理。一個體系中，每一種可能的運動方式就被稱作態。在微觀體系中，量子的運動狀態無法確定，呈現統計性，與宏觀體系確定的運動狀態相反。量子態就是微觀體系的態。

3、量子糾纏

量子糾纏：當兩個粒子互相糾纏時，一個粒子的行為會影響另一個粒子的狀態，此現象與距離無關，理論上即使相隔足夠遠，量子糾纏現象依舊能被檢測到。因此，當兩粒子中的一個粒子狀態發生變化，即此粒子被操作時，另一個粒子的狀態也會相應的隨之改變。

4、量子並行原理

量子並行計算是量子計算機能夠超越經典計算機的最引人注目的先進技術。量子計算機以指數形式儲存數字，通過將量子位增至300個量子位就能儲存比宇宙中所有原子還多的數字，並能同時進行運算。函數計算不通過經典循環方法，可直接通過幺正變換得到，大大縮短工作損耗能量，真正實現可逆計算。

(1)量子計算機的演算法擴展閱讀：

量子計算機的難點：

1、量子消相干

量子計算的相乾性是量子並行運算的精髓，但在實際情況下，量子比特會受到外界環境的作用與影響，從而產生量子糾纏。量子相乾性極易受到量子糾纏的干擾，導致量子相乾性降低，也就是所謂的消相干現象。實際的應用中，無法避免量子比特與外界的接觸，量子的相乾性也就不易得到保持。所以，量子消相干問題是目前需要解決的重要問題之一，它的解決將在一定程度上影響著量子計算機未來的發展道路。

2、量子糾纏

量子作為最小的顆粒，遵守量子糾纏規律。即使在空間上，量子之間可能是分開的，但是量子間的相互影響是無法避免的。介於此，量子糾纏技術被聯想到量子信息的傳遞領域。在一定意義上，利用量子之間飛快的交流速度從而實現信息的傳遞。

3、量子並行計算

量子計算機獨特的並行計算是經典計算機無法比擬的重要的一點。同樣是一個n位的存儲器，經典計算機存儲的結果只有一個。但是量子計算機存儲的結果可達2n。其並行計算不僅在存儲容量上遠超越了後者，而且讀取速度快，多個讀取和計算可同時進行。正是量子並行計算的重要性，它的有效應用也成為了量子計算機發展的關鍵之一。

4、量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子態不存在復制的過程，既然要保持量子態不變，則不存在量子的測量，也就無法實現復制。對於量子計算機來說，無法實現經典計算機的糾錯應用以及復制功能。

② 量子計算機的演算法理論

量子計算機在1980年代多處於理論推導狀態。1994年彼得·秀爾（Peter Shor）提出量子質因子分解演算法後，因其對於通行於銀行及網路等處的RSA加密演算法可以破解而構成威脅之後，量子計算機變成了熱門的話題，除了理論之外，也有不少學者著力於利用各量子計算機的演算法理論

③ 量子計算機的運作原理在哪裡

量子計算機（quantum computer）是一類遵循量子力學規律進行高速數學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子演算法時，它就是量子計算機。量子計算機的概念源於對可逆計算機的研究。研究可逆計算機的目的是為了解決計算機中的能耗問題。

薛定諤之貓是關於量子理論的一個理想實驗。實驗內容是：這只貓十分可憐，它被封在一個密室里，密室里有食物有毒葯。毒葯瓶上有一個錘子，錘子由一個電子開關控制，電子開關由放射性原子控制。如果原子核衰變，則放出α粒子，觸動電子開關，錘子落下，砸碎毒葯瓶，釋放出裡面的氰化物氣體，貓必死無疑。這個殘忍的裝置由奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤所設計，所以此貓便叫做薛定諤貓。量子理論認為：如果沒有揭開蓋子，進行觀察，我們永遠也不知道貓是死是活，它將永遠處於非死非活的疊加態，這與我們的日常經驗嚴重相違。

④ 可以解釋下量子計算機的概念和工作原理嗎

就是用量子比特代替原來的普通比特。
從物理層面上來看，量子計算機不是基於普通的晶體管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如質子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（學校實驗大多用這個）等等作為載體。當然從理論上來看任何一個多能級系統都可以作為量子比特的載體。
從計算原理上來看，量子計算機的輸入態既可以是離散的本徵態（如傳統的計算機一樣），也可以是疊加態（幾種不同狀態的幾率疊加），對信息的操作從傳統的「和」，「或」，「與」等邏輯運算擴展到任何幺正變換，輸出也可以是疊加態或某個本徵態。所以量子計算機會更加靈活，並能實現並行計算。
要解釋細節的話有些麻煩， 給你些關鍵詞可以去查：
1. 量子態， quatum State
2. 量子疊加態， Quantum superposition
3， 量子比特， Qubit
4, 幺正變換 Unitary Transformation
5， 量子邏輯， Quantum Logic
6, 量子門， Quantum Gate (對應於傳統的邏輯門，其實就是一些特殊的正變換)
7, 量子演算法， quantum Algorithm (當然量子計算機也能實現傳統的演算法)
8, 然後關於從物理層面如何實現的最好從量子光學開始， 因為偏振的光子是最簡單的。

⑤ 量子計算機的工作原理如何解釋

要理解量子計算主要從量子演算法和量子計算的實現上來看。有些童鞋認為量子計算機不一定比經典計算機快，只適用於特殊情況，需要特殊的演算法。這當然沒有錯，但是這個是很片面的。量子計算的優勢主要來自於硬體與經典計算機的完全不同。量子計算的能力主要來自於量子的相乾性（疊加態）。這是經典計算機永遠不可能達到的。所以量子計算機的計算速度是一定要大於經典計算機的。

當然就跟經典計算機一樣，需要優秀的演算法，才能使計算能力盡量使用。對於量子計算來說，就需要量子演算法來使得量子計算機的計算速度得到最大的利用。比較著名的是shor，Grover，quantum random walk。要找到一個量子演算法超越所有的經典演算法還是有難度的，當然很多童鞋在做，而且這里也很多關於這些的回答，我也只做過quantumhidden markov model，發了一篇文章就轉向做實現去了，所以我也不去湊這個熱鬧啦。關於量子演算法可以參考其他問題的回答，有些還是不錯的，也是專業的。

但是，這里幾乎沒有人去詳細討論量子計算的硬體（或者只是我沒有看到），如果要去理解量子計算機的工作原理是不可能繞過硬體去討論的。首先，什麼是通用的量子計算機，有沒有標准去衡量。DiVincenzo『s7 requirements for the implementation of quantum computation（http://arxiv.org/abs/quant-ph?0002077）。這7（5+2）個條件是作為量子計算實現的最核心的條件，說到量子計算機就離不開這7個條件是如何做到的。有興趣的童鞋可以自己讀論文。

現在，物理系統的實現已經有很多很多方案了，比如光子（線性光學），核磁共振（NMR），腔QED，量子點（quantumdot），Redberg atom，離子阱（ion trap），超導系統。這些都是十分有前景的物理實現的方法。他們在7個條件中各有千秋，也各有短板，所以現在都不能稱得上最完美的設計。感興趣的童鞋可以自己找論文去讀。這里就不多說了。

再說說量子計算模型，主要有3種，量子線路模型（quantum circuit mode），one way quantum computation model和絕熱量子計算模型（adiabatic quantum computationmodel）。量子線路模型是把量子計算過程化成像經典計算一樣有不同的「邏輯門」（當然是量子層面的操控）作用在量子態上，最後得到所期待的量子態。one-way quantum computation model是把量子計算，化成通過隱態傳輸（teleportation）和測量二維團簇態（clusterstate），使得我們可以得到我們想要的量子操控(量子邏輯門）。絕熱量子計算模型，是通過先把問題劃歸成復雜的哈密頓量（Hamiltonian）的基態（ground state）的問題（即找到基態就可以找到最終結果），然後開始與一個簡單的哈密頓量，通過絕熱過程最後得到所需要的基態。可以證明的是量子線路模型和one way quantum computationmodel，絕熱量子計算模型都是等價的。但是基於這3種模型來設計出的量子計算機是千差萬別的。

我比較熟悉的是光子（線性光學）和核磁共振，腔QED還行。所以我詳細一些說下光子系統和核磁共振系統的實現方法。當然基於約瑟夫森結的超導系統也會提到，畢竟這是大名鼎鼎的D-wave的實現方法。

⑥ 量子計算機是否需要演算法

1）首先從量子演算法理論來看。量子計算機需要特定的量子演算法才能發揮出量子計算的強大威力。但是，並不是所有的計算都可以用量子演算法加速。雖然量子演算法絕不會比傳統演算法慢，但能像Shor演算法和Grover演算法那般完全超越傳統演算法的其實比較少見。不少問題上我們暫時都還沒有得到很好的量子演算法。
（不過，人工智慧/機器學習里很核心的優化（optimization）過程卻很幸運地與量子計算是天作之合。這個之後再說。）

2）再從實踐來看。Dwave這家量子計算機公司開發了世界第一款商業量子計算機。但實際上，這款量子計算機不是通用量子計算機，並不能運行所有的量子演算法。Dwave實際上是一台量子退火機（quantum annealing machine）。它的主要工作方式是調整伊辛模型的參數來構造滿足某優化問題所對應的量子態，再用量子退火演算法來求解。（Google願意花1000萬美金買一台Dwave，再建立Quantum AI Lab就是看中了Dwave在人工智慧上的強大功能。目前512qubit機所模擬的最復雜的人工智慧問題都能在1s左右解決。）

通用量子計算機是一個超出目前科技水平太多的技術。以至於大多數科學家更願意研究具有特定量子結構的量子計算機，用來執行特定的量子計算功能。比如說Google有一項量子計算需求，就為此配一台能專門完成這項量子計算的量子計算機就能運行的很好，搞不定的部分再交給電子計算機處理分工處理就行。
想一想量子退火機尚且要在20mk的溫度下才能運行。通用量子計算機得多麼復雜、精密且昂貴，而且至今沒有好的方案。量子點、核磁共振、量子光路、超導環等所有可能的途徑都有科學家在研究。