量子计算机的原理

1. 量子计算机的原理

我们在生活中经常听说量子计算机，但对它知之甚少，什么是量子计算机，它的原理是什么，让我们走进神秘的量子计算机的世界

2. 量子计算机的工作原理是什么？为什么计算速度比普通计算机快

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。常识告诉我们：原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。
想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。
从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算，普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算（如果集合中只有一个元素，量子计算与经典计算没有区别）。
以函数y=f(x)，x∈A为例。量子计算的输入参数是定义域A，一步到位得到输出值域B，即B=f(A)；经典计算的输入参数是x，得到输出值y，要多次计算才能得到值域B，即y=f(x)，x∈A，y∈B。
量子计算机有一个待解决的问题，即输出值域B只能随机取出一个有效值y。虽然通过将不希望的输出导向空集的方法，已使输出集B中的元素远少于输入集A中的元素，但当需要取出全部有效值时仍需要多次计算。

3. 请解释一下量子计算机的工作原理。

　　量子计算机和量子力学密切相关，前者就是基于后者的一个核心原理——态叠加原理。虽然物理学家们至今还在争论一个宏观的实体，比如一个人，一栋楼等等，是否能处于一种多状态叠加的情况，但毫无疑问的是，单个电子的确能同时处于多种状态之中，这是无数实验已经验证了的。例如，一个原子中的一个电子可以处于基态，也可以处于激发态（基态与激发态可分别与二进制中的0和1对应起来），用波长合适的光照射原子一个合适的时间长度，就可能使原子里的电子处于基态与激发态这两种状态中每一种状态各占1/2概率的叠加态。
　　目前的计算机处理的是二进制的“位”（bit），只有两种状态，0或1；而量子计算机则用“量子位”（qubit）来编码和计算。一个量子位，可以是1，也可以是0，还可以同时是1与0的某种叠加状态（由叠加权重的不同，这种叠加态理论上可以是无穷多的，但实际中很难调整权重，一般就是各占一半的权重或说比例）。
　　计算机性能的一个重要指标是它内部所使用的开关的数量，它决定了计算机的存储单元能有多少，基本上就是通常所说的内存有多少位。设想只有两位内存的最简计算机，它有4种可能的状态：00、01、10、11。如果这是传统的计算机，那么在任何一个确定的时刻，它只能处于上述4种状态中的一种状态里。然而如果它是量子计算机，那么两个量子位都可以处于态叠加的状态，因此它可以同时工作在上述所有的4种状态中！就像4台传统的计算机并行地联结在一起同时工作。
　　一般来说，一台量子计算机能够同时具有的状态是2的以量子位为次数的乘幂。上段中，2个量子位，同时处于的状态数就是2的2次方，是4；若是3个量子位，则同时状态数是2^3=8……这是按指数规律爆增的数量！当一台量子计算机由联结在一起的10个量子位组成时，它的运算能力就相当于一台具有2^10=1024个开关（位）所构成的传统的计算机。如果一台量子计算机具有一个1000量子位的内存，那么它工作起来就像具有2^1000=10^301位内存的一台传统计算机。10^301，1后边301个0！这个数字比整个宇宙中全部粒子的数目还大得多！亦即，即使把宇宙中所有粒子都利用起来制成一台传统的计算机，也远远抵不上这样一台量子计算机！当然，要使1000量子位都处于彼此关联的可控的叠加态之中，要克服的困难实在还有太多！

4. 量子计算机有什么用？它是如何运作的？

当量子力学遇到电子计算机，量子计算机就诞生了。计算机的最小单位是一个比特。由于计算机是二进制的，这个比特要么是1，要么是0，没有其他选择，比如说信息。1010，包含四个比特，八个比特组成1B，1024B等于1K，1024K等于1M，1024M等于1G，以此类推。量子计算利用亚原子粒子的不可分性和不可复制性、量子纠缠和并行计算能力，比传统计算机更快地进行计算，并使用更少的能源。传统计算机使用晶体管（类似于开关）的特性，可以开启或关闭。

这个基本单位，我们称之为比特，在数学上可以用二进制的零和一表示。这就是计算机硬件最底层的信息表示。而量子计算机，是利用量子 "叠加"、"纠缠"、"干涉 "的物理特性，计算和设计硬件的。量子计算机需要特殊的算法来进行数学运算，与传统计算机的二进制相对应。我们知道，传统计算机的二进制计算依靠的是芯片中的晶体管，简单理解就是通电时为1，断电时为0。

现代计算机的晶体管虽然越来越小，为了提高计算能力晶体管只能不断叠加，集成度很高，但数量很大，需要消耗大量的能量，这就导致科学发展中的光子计算、生物、计算、量子计算等领域解决了摩尔定律造成的大量能耗和计算能力瓶颈问题。

量子计算机的运行原理与现有计算机完全不同，使其成为解决特定数学问题的理想选择，如寻找非常大的素数。由于素数在密码学中非常重要，量子计算机可能很快就能破解许多保证我们网上信息安全的系统。由于这些风险，研究人员已经在努力开发能够抵御量子黑客攻击的技术，而另一方面，基于量子的密码系统可能比传统的类比法更安全。

5. 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。

6. 量子计算机的原理

普通的数字计算机在0和1的二进制系统上运行，称为“比特”（bit）。但量子计算机要远远更为强大。它们可以在量子比特（qubit）上运算，可以计算0和1之间的数值。假想一个放置在磁场中的原子，它像陀螺一样旋转，于是它的旋转轴可以不是向上指就是向下指。
常识告诉我们：原子的旋转可能向上也可能向下，但不可能同时都进行。但在量子的奇异世界中，原子被描述为两种状态的总和，一个向上转的原子和一个向下转的原子的总和。在量子的奇妙世界中，每一种物体都被使用所有不可思议状态的总和来描述。 
想象一串原子排列在一个磁场中，以相同的方式旋转。如果一束激光照射在这串原子上方，激光束会跃下这组原子，迅速翻转一些原子的旋转轴。通过测量进入的和离开的激光束的差异，我们已经完成了一次复杂的量子“计算”，涉及了许多自旋的快速移动。
从数学抽象上看，量子计算机执行以集合为基本运算单元的计算，普通计算机执行以元素为基本运算单元的计算（如果集合中只有一个元素，量子计算与经典计算没有区别）。 
以函数y=f(x)，x∈A为例。量子计算的输入参数是定义域A，一步到位得到输出值域B，即B=f(A)；经典计算的输入参数是x，得到输出值y，要多次计算才能得到值域B，即y=f(x)，x∈A，y∈B。 
量子计算机有一个待解决的问题，即输出值域B只能随机取出一个有效值y。虽然通过将不希望的输出导向空集的方法，已使输出集B中的元素远少于输入集A中的元素，但当需要取出全部有效值时仍需要多次计算。

扩展资料：
2017年5月，中国科学院宣布制造出世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机，研发了10比特超导量子线路样品，通过高精度脉冲控制和全局纠缠操作，成功实现了目前世界上最大数目的超导量子比特多体纯纠缠，并通过层析测量方法完整地刻画了十比特量子态。
此原型机的“玻色取样”速度比国际同行之前所有实验机加快至少24000倍，比人类历史上第一台电子管计算机（ENIAC）和第一台晶体管计算机（TRADIC）运行速度快10-100倍，虽然还是缓慢但已经逐步跨入实用价值阶段。
2017年7月，美国研究人员宣布完成51个量子比特的量子计算机模拟器[23]。哈佛大学米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）在莫斯科量子技术国际会议上宣布这一消息。量子模拟器使用了激光冷却的原子，并使用激光将原子固定。
2018年6月，英特尔宣布开发出新款量子芯片，使用五十奈米的量子比特做运算，并已在摄氏零下273度的极低温度中进行测试。
参考资料：百度百科 量子计算机

7. 量子计算机原理

量子计算机原理是一种使用量子逻辑进行通用计算的装置。
量子计算机的输入用一个具有有限能级的量子系统来描述，如二能级系统，量子计算机的变换包括所有可能的正变换。
量子特性在提高运算速度、确保信息安全、增大信息容量和提高检测精度等方面可能突破现有经典信息系统的极限。
量子客体的波粒两象性迫使人们不得不引入波函数来描述量子客体的状态，著名物理学家费曼曾指出：量子力学的精妙之处在于引入几率幅的概念。事实上，量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态，而关于量子理论的长期激烈争论的焦点也在这个量子态。

按照量子力学理论， EPR粒子对处在所谓的纠缠态上，这个量子态最大地违背 Bell不等式，有着奇特的性质：我们无法单独地确定某个粒子处在什么量子态上，这个态给出的唯一信息是两个粒子之间的关联这类整体的特性，实验上已成功地制备这类纠缠态。
自发参量下转换的非线性光学过程所产生的孪生光子对就是在频域、方向、偏振上形成纠缠的 EPR对，采用腔量子电动力学方法也已制备出原子纠缠态。

8. 量子计算机原理

量子计算的原理就是将量子力学系统中量子态进行演化结果。
量子计算机的基本原理还是冯诺伊曼体系结构，量子计算机依然是分为两个主要单元，计算单元和存储单元。量子计算机和现在的电子计算机最大的不同在于其使用的存储单元，量子计算机用来存储数据的东西叫“量子比特”。

量子计算机
量子客体的波粒两象性迫使人们不得不引入波函数（量子态）来描述量子客体的状态，著名物理学家费曼曾指出：量子力学的精妙之处在于引入几率幅（即量子态）的概念。事实上，量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态，而关于量子理论的长期激烈争论的焦点也在这个量子态。
事实上，按照量子力学理论， EPR粒子对处在所谓的纠缠态上，这个量子态最大地违背 Bell不等式，有着奇特的性质：我们无法单独地确定某个粒子处在什么量子态上，这个态给出的唯一信息是两个粒子之间的关联这类整体的特性，实验上已成功地制备这类纠缠态。
以上内容参考：百度百科——量子计算机