量子计算机的算法

① 量子计算机工作原理

量子计算机的工作原理：

量子计算机是一种基于量子理论而工作的计算机。追根溯源，是对可逆机的不断探索促进了量子计算机的发展。量子计算机装置遵循量子计算的基本理论，处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法。1981年，美国阿拉贡国家实验室的Paul Benioff最早提出了量子计算的基本理论。

1、量子比特

经典计算机信息的基本单元是比特，比特是一种有两个状态的物理系统，用0与1表示。在量子计算机中，基本信息单位是量子比特（qubit），用两个量子态│0>和│1>代替经典比特状态0和1。量子比特相较于比特来说，有着独一无二的存在特点，它以两个逻辑态的叠加态的形式存在，这表示的是两个状态是0和1的相应量子态叠加。

2、态叠加原理

现代量子计算机模型的核心技术便是态叠加原理，属于量子力学的一个基本原理。一个体系中，每一种可能的运动方式就被称作态。在微观体系中，量子的运动状态无法确定，呈现统计性，与宏观体系确定的运动状态相反。量子态就是微观体系的态。

3、量子纠缠

量子纠缠：当两个粒子互相纠缠时，一个粒子的行为会影响另一个粒子的状态，此现象与距离无关，理论上即使相隔足够远，量子纠缠现象依旧能被检测到。因此，当两粒子中的一个粒子状态发生变化，即此粒子被操作时，另一个粒子的状态也会相应的随之改变。

4、量子并行原理

量子并行计算是量子计算机能够超越经典计算机的最引人注目的先进技术。量子计算机以指数形式储存数字，通过将量子位增至300个量子位就能储存比宇宙中所有原子还多的数字，并能同时进行运算。函数计算不通过经典循环方法，可直接通过幺正变换得到，大大缩短工作损耗能量，真正实现可逆计算。

(1)量子计算机的算法扩展阅读：

量子计算机的难点：

1、量子消相干

量子计算的相干性是量子并行运算的精髓，但在实际情况下，量子比特会受到外界环境的作用与影响，从而产生量子纠缠。量子相干性极易受到量子纠缠的干扰，导致量子相干性降低，也就是所谓的消相干现象。实际的应用中，无法避免量子比特与外界的接触，量子的相干性也就不易得到保持。所以，量子消相干问题是目前需要解决的重要问题之一，它的解决将在一定程度上影响着量子计算机未来的发展道路。

2、量子纠缠

量子作为最小的颗粒，遵守量子纠缠规律。即使在空间上，量子之间可能是分开的，但是量子间的相互影响是无法避免的。介于此，量子纠缠技术被联想到量子信息的传递领域。在一定意义上，利用量子之间飞快的交流速度从而实现信息的传递。

3、量子并行计算

量子计算机独特的并行计算是经典计算机无法比拟的重要的一点。同样是一个n位的存储器，经典计算机存储的结果只有一个。但是量子计算机存储的结果可达2n。其并行计算不仅在存储容量上远超越了后者，而且读取速度快，多个读取和计算可同时进行。正是量子并行计算的重要性，它的有效应用也成为了量子计算机发展的关键之一。

4、量子不可克隆

量子不可克隆性，是指任何未知的量子态不存在复制的过程，既然要保持量子态不变，则不存在量子的测量，也就无法实现复制。对于量子计算机来说，无法实现经典计算机的纠错应用以及复制功能。

② 量子计算机的算法理论

量子计算机在1980年代多处于理论推导状态。1994年彼得·秀尔（Peter Shor）提出量子质因子分解算法后，因其对于通行于银行及网络等处的RSA加密算法可以破解而构成威胁之后，量子计算机变成了热门的话题，除了理论之外，也有不少学者着力于利用各量子计算机的算法理论

③ 量子计算机的运作原理在哪里

量子计算机（quantum computer）是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。

薛定谔之猫是关于量子理论的一个理想实验。实验内容是：这只猫十分可怜，它被封在一个密室里，密室里有食物有毒药。毒药瓶上有一个锤子，锤子由一个电子开关控制，电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变，则放出α粒子，触动电子开关，锤子落下，砸碎毒药瓶，释放出里面的氰化物气体，猫必死无疑。这个残忍的装置由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔所设计，所以此猫便叫做薛定谔猫。量子理论认为：如果没有揭开盖子，进行观察，我们永远也不知道猫是死是活，它将永远处于非死非活的叠加态，这与我们的日常经验严重相违。

④ 可以解释下量子计算机的概念和工作原理吗

就是用量子比特代替原来的普通比特。
从物理层面上来看，量子计算机不是基于普通的晶体管，而是使用自旋方向受控的粒子（比如质子核磁共振）或者偏振方向受控的光子（学校实验大多用这个）等等作为载体。当然从理论上来看任何一个多能级系统都可以作为量子比特的载体。
从计算原理上来看，量子计算机的输入态既可以是离散的本征态（如传统的计算机一样），也可以是叠加态（几种不同状态的几率叠加），对信息的操作从传统的“和”，“或”，“与”等逻辑运算扩展到任何幺正变换，输出也可以是叠加态或某个本征态。所以量子计算机会更加灵活，并能实现并行计算。
要解释细节的话有些麻烦， 给你些关键词可以去查：
1. 量子态， quatum State
2. 量子叠加态， Quantum superposition
3， 量子比特， Qubit
4, 幺正变换 Unitary Transformation
5， 量子逻辑， Quantum Logic
6, 量子门， Quantum Gate (对应于传统的逻辑门，其实就是一些特殊的正变换)
7, 量子算法， quantum Algorithm (当然量子计算机也能实现传统的算法)
8, 然后关于从物理层面如何实现的最好从量子光学开始， 因为偏振的光子是最简单的。

⑤ 量子计算机的工作原理如何解释

要理解量子计算主要从量子算法和量子计算的实现上来看。有些童鞋认为量子计算机不一定比经典计算机快，只适用于特殊情况，需要特殊的算法。这当然没有错，但是这个是很片面的。量子计算的优势主要来自于硬件与经典计算机的完全不同。量子计算的能力主要来自于量子的相干性（叠加态）。这是经典计算机永远不可能达到的。所以量子计算机的计算速度是一定要大于经典计算机的。

当然就跟经典计算机一样，需要优秀的算法，才能使计算能力尽量使用。对于量子计算来说，就需要量子算法来使得量子计算机的计算速度得到最大的利用。比较着名的是shor，Grover，quantum random walk。要找到一个量子算法超越所有的经典算法还是有难度的，当然很多童鞋在做，而且这里也很多关于这些的回答，我也只做过quantumhidden markov model，发了一篇文章就转向做实现去了，所以我也不去凑这个热闹啦。关于量子算法可以参考其他问题的回答，有些还是不错的，也是专业的。

但是，这里几乎没有人去详细讨论量子计算的硬件（或者只是我没有看到），如果要去理解量子计算机的工作原理是不可能绕过硬件去讨论的。首先，什么是通用的量子计算机，有没有标准去衡量。DiVincenzo‘s7 requirements for the implementation of quantum computation（http://arxiv.org/abs/quant-ph?0002077）。这7（5+2）个条件是作为量子计算实现的最核心的条件，说到量子计算机就离不开这7个条件是如何做到的。有兴趣的童鞋可以自己读论文。

现在，物理系统的实现已经有很多很多方案了，比如光子（线性光学），核磁共振（NMR），腔QED，量子点（quantumdot），Redberg atom，离子阱（ion trap），超导系统。这些都是十分有前景的物理实现的方法。他们在7个条件中各有千秋，也各有短板，所以现在都不能称得上最完美的设计。感兴趣的童鞋可以自己找论文去读。这里就不多说了。

再说说量子计算模型，主要有3种，量子线路模型（quantum circuit mode），one way quantum computation model和绝热量子计算模型（adiabatic quantum computationmodel）。量子线路模型是把量子计算过程化成像经典计算一样有不同的“逻辑门”（当然是量子层面的操控）作用在量子态上，最后得到所期待的量子态。one-way quantum computation model是把量子计算，化成通过隐态传输（teleportation）和测量二维团簇态（clusterstate），使得我们可以得到我们想要的量子操控(量子逻辑门）。绝热量子计算模型，是通过先把问题划归成复杂的哈密顿量（Hamiltonian）的基态（ground state）的问题（即找到基态就可以找到最终结果），然后开始与一个简单的哈密顿量，通过绝热过程最后得到所需要的基态。可以证明的是量子线路模型和one way quantum computationmodel，绝热量子计算模型都是等价的。但是基于这3种模型来设计出的量子计算机是千差万别的。

我比较熟悉的是光子（线性光学）和核磁共振，腔QED还行。所以我详细一些说下光子系统和核磁共振系统的实现方法。当然基于约瑟夫森结的超导系统也会提到，毕竟这是大名鼎鼎的D-wave的实现方法。

⑥ 量子计算机是否需要算法

1）首先从量子算法理论来看。量子计算机需要特定的量子算法才能发挥出量子计算的强大威力。但是，并不是所有的计算都可以用量子算法加速。虽然量子算法绝不会比传统算法慢，但能像Shor算法和Grover算法那般完全超越传统算法的其实比较少见。不少问题上我们暂时都还没有得到很好的量子算法。
（不过，人工智能/机器学习里很核心的优化（optimization）过程却很幸运地与量子计算是天作之合。这个之后再说。）

2）再从实践来看。Dwave这家量子计算机公司开发了世界第一款商业量子计算机。但实际上，这款量子计算机不是通用量子计算机，并不能运行所有的量子算法。Dwave实际上是一台量子退火机（quantum annealing machine）。它的主要工作方式是调整伊辛模型的参数来构造满足某优化问题所对应的量子态，再用量子退火算法来求解。（Google愿意花1000万美金买一台Dwave，再建立Quantum AI Lab就是看中了Dwave在人工智能上的强大功能。目前512qubit机所模拟的最复杂的人工智能问题都能在1s左右解决。）

通用量子计算机是一个超出目前科技水平太多的技术。以至于大多数科学家更愿意研究具有特定量子结构的量子计算机，用来执行特定的量子计算功能。比如说Google有一项量子计算需求，就为此配一台能专门完成这项量子计算的量子计算机就能运行的很好，搞不定的部分再交给电子计算机处理分工处理就行。
想一想量子退火机尚且要在20mk的温度下才能运行。通用量子计算机得多么复杂、精密且昂贵，而且至今没有好的方案。量子点、核磁共振、量子光路、超导环等所有可能的途径都有科学家在研究。