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什么是量子计算机?

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量子计算机有潜力极大地增加计算的多样性和准确性,为计算机打开新的应用程序,并增强我们的物理现象模型。然而,尽管量子计算机的媒体覆盖率不断提高,但许多领域仍然存在’确保量子计算机与常规计算机有何不同。让’我们将研究量子计算机的工作原理,某些应用程序以及它们的未来。

什么是量子计算机?

在我们有意义地研究量子计算机之前 操作 ,我们需要先定义 量子计算机。量子计算机的简短定义是:基于量子力学的计算机能够比传统计算机以更高的效率执行某些复杂的计算。这是对量子计算机的快速定义,但是我们需要花一些时间来真正了解量子计算机与传统计算机之间的区别。

常规计算机使用二进制系统对信息进行编码:将数据的每一位表示为一或零。一系列的1和0链接在一起以表示复杂的信息块,例如文本,图像和音频。然而,在这些二进制系统中,信息只能存储为1和0,这意味着对数据表示和解释的方式有一个严格的限制,并且随着数据变得越来越复杂,它必须变得越来越长,并且由一串和一串组成。零。

量子计算机之所以能够更有效地存储和解释数据,是因为它们不使用位来表示数据,而是使用“ 量子比特 ”。量子位是像光子和电子这样的亚原子粒子。量子位具有几个有趣的属性,使它们对于新的计算方法很有用。 Qubit具有计算机工程师可以利用的两个属性: 重叠和纠缠。

量子叠加不仅使量子比特以“一个”状态或“零”状态存在,而且沿这些状态之间的连续体存在,这意味着可以使用量子比特来保存更多信息。同时,量子纠缠是指一种现象,其中可以生成成对的量子位,并且如果一个量子位被改变,另一量子位也以可预测的方式被改变。这些量子特性可用于以更有效的方式表示和构造复杂的数据。

量子计算机如何操作

量子“叠加”之所以得名,是因为它们一次可以处于一个以上的位置。虽然位只能位于两个位置,但量子位可以一次以多种状态存在。

部分由于量子叠加的存在,量子计算机能够同时计算许多不同的潜在结果。一旦完成计算,将测量量子位,这将通过量子态崩溃为0或1产生最终结果,这意味着结果可以由传统计算机解释。

量子计算的研究人员和工程师可以使用微波或精密激光来改变量子位的位置。

计算机工程师可以利用量子纠缠来极大地提高计算机的处理能力。量子纠缠是指两个量子位可以以一种可靠的方式链接在一起的事实,即改变一个量子位可以改变另一个量子位。量子比特为何能建立这种关系或这种现象如何精确发挥作用尚不完全清楚,但科学家确实了解得足够多,有可能将其用于量子计算机。由于量子纠缠,将额外的量子比特添加到量子机器中不仅会使计算机的处理能力提高一倍,而且可以成倍地扩展处理能力。

如果这一切看起来都太抽象了,我们可以通过想象一个迷宫来描述叠加如何有用。为了使普通计算机尝试解决迷宫问题,它必须尝试迷宫的每个路径,直到找到成功的路由为止。但是,由于量子计算机没有被束缚在任何一个给定的状态下,因此它实际上可以一次探索所有不同的路径。

所有这些都是说,纠缠和叠加的性质使量子计算机变得有用,因为它们可以处理不确定性,它们能够探索更多可能的状态和结果。量子计算机将帮助科学家和工程师更好地建模和理解具有多种变量的多方面情况。

量子计算机用于什么?

现在我们对量子计算机的运行有了更好的直觉,让我们探讨一下可能 量子计算机的用例。

我们已经提到了这样一个事实,即量子计算机可用于以更快的速度执行传统计算。但是,量子计算机技术可用于实现传统计算机甚至无法实现或非常不切实际的事情。

量子计算机最有希望和最有趣的应用之一是在人工智能领域。量子计算机具有改进由神经网络以及支持它们的软件创建的模型的能力。 Google目前正在使用其量子计算机来 协助创造自动驾驶汽车。

量子计算机还可以在分析 化学相互作用和反应。即使是最先进的普通计算机也只能对相对简单的分子之间的反应进行建模,而它们是通过模拟所讨论分子的特性来实现的。但是,量子计算机允许研究人员创建具有与他们正在研究的分子相同的量子性质的模型。更快,更准确的分子建模将有助于创建用于治疗能源技术的新治疗药物和新材料,例如更高效的太阳能电池板。

也可以使用Quantum计算机 更好地预测天气。 天气是许多事件的汇合点,用于预测天气模式的公式很复杂,包含许多变量。进行天气预报所需的所有计算可能要花费极长时间,在此期间天气状况可能会发生变化。幸运的是,用于预测天气的方程具有量子计算机可以利用的波动性质。量子计算机可以帮助研究人员建立更精确的气候模型,这在气候变化的世界中是必需的。

量子计算机和算法还可用于帮助确保人们的数据隐私。 量子密码学 利用量子不确定性原理,其中任何试图测量物体的尝试最终都会对该物体进行更改。尝试拦截通信会影响最终的通信并显示篡改的证据。

量子计算的未来

量子计算机的大多数用途将仅限于学者和企业。消费者/公众不太可能至少在短期内不会获得量子智能手机。这是因为需要专门的设备来操作量子计算机。量子计算机对干扰非常敏感,因为即使是周围环境中最微小的变化也可能导致量子位移动位置并退出叠加状态。这就是所谓的退相干,这是量子计算机与常规计算机相比进展如此缓慢的原因之一。量子计算机通常需要在与其他电气设备隔离的极端低温条件下运行。

即使采取了所有预防措施,噪声仍然设法在计算中产生错误,研究人员正在寻找使量子位更可靠的方法。为了实现量子优势,量子计算机完全超越了当前超级计算机的功能,量子位需要链接在一起。真正的量子最高计算机可能需要数千个量子位,但是当今最好的量子计算机可以 通常只处理大约50量子位。 研究人员一直在不断努力创造更稳定,更可靠的量子比特。量子计算机领域的专家预测,功能强大且可靠的量子设备 可能会在十年之内。