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  • 澎湃新闻记者 虞涵棋量子是什么东西?这个问法的出发点可能就错了。量子力学的深奥是大家所公认的。我们经常调侃有些影视作品在科幻问题上“遇事不决,量子力学”,连“不自量力”这个旧词也被人新解为“不要试图...

    澎湃新闻记者 虞涵棋

    量子是什么东西?这个问法的出发点可能就错了。

    量子力学的深奥是大家所公认的。我们经常调侃有些影视作品在科幻问题上“遇事不决,量子力学”,连“不自量力”这个旧词也被人新解为“不要试图自学量子力学”。

    量子力学确实很难以我们日常生活的经验和观察来理解。但这不妨碍我们抽象地领会关于量子力学一些最核心的内涵,形成最基础的“量子化思维”。

    为什么很难用日常思维来理解?1900年,当人们欢庆经典物理学大厦已经基本落成,美丽而晴朗的天空中只剩下两朵“乌云”。后来,这两朵“乌云”一朵演化成了描述宇宙大尺度结构的广义相对论,一朵演化成了描述宇宙微观世界的量子力学。在极大和极小的尺度里,我们熟悉的经典物理学都不适用,呈现出许多陌生的奇景。

    回到开头那个问题。正是因为量子力学是描述微观世界的理论,很多人会误以为量子像原子、质子、电子、光子一样,是特指某种微小的粒子。

    量子是什么东西?其实,量子不是某个特定的东西,一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

    同样是在1900年,普朗克为解决其中一朵“乌云”提出了量子这个假设。意为能量存在一个最小的单位,是“一份份”存在的。有一份能量,有两份能量,但没有半份能量。

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    1900年,普朗克提出了量子概念。

    也就是说,量子像是“1”一样的单位。这个物理概念本质上是想描述一种离散性,一种不连续性。量子化的世界就像是还没有学到分数概念的小学一年级学生,只知道1、2、3、4地跳跃。

    一个光子、一个电子、一个原子,当然也是一份一份的,没有半个光子、半个电子、半个原子的说法。因此,它们也具有量子化特性,可以视为量子。却不能说,量子就是某种粒子。

    奇妙的微观世界

    当我们将目光聚焦到这么小的尺度上,就会发现许多与宏观世界截然不同的奇妙现象。

    很多人都听说过“薛定谔的猫”。这个比喻就是想把微观粒子的量子叠加态放大为常人易于理解的宏观生死状态。一个光子可以同时处于两个状态的叠加,而一旦对该光子的状态进行测量,它就会随机坍缩到其中一种状态。

    而两个光子之间建立起更为奇妙的量子纠缠。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变(比如人们对其进行测量),另一个的状态会瞬时发生相应改变,仿佛“心灵感应”。

    正因为量子力学可以用来精准地描述这些微观世界的规律,我们研究半导体、激光、新材料等等显然必须要用到这个工具。科学家们也可以在“螺蛳壳里做道场”,利用一些只有在微观世界才会出现的奇妙现象,操纵微观粒子们实现一些用经典物理学无法做到的任务。

    中科院院士潘建伟表示,量子科技的具体应用包括量子通信、量子计算和量子精密测量三个领域。在量子通信领域,我国已处于国际领先地位。一方面要加快发展下一代广域量子通信网络技术体系,进一步扩大领先优势;另一方面需要和用户部门密切配合,特别是在安全性测评的基础上推进标准体系的建立,进而推广在国防、政务、金融等领域的应用,将研究的优势转化为产业的优势。

    在量子计算领域,我国整体上与发达国家处于同一水平线。在量子精密测量领域,我国整体上相比发达国家还存在一定的差距,但发展迅速。

    那么,下面我们就来重点讲一讲近年来国内发展很快、热度很高的量子通信。

    量子密码

    许多人会把量子纠缠误当做量子通信。但其实,现阶段的量子通信通常是指“量子密钥分发”(QKD)技术,没有用到量子纠缠技术,更谈不上“瞬间传输”。它的核心不在于通信,而在于生成一串密钥。

    1984年,当时任职于IBM研究中心的本内特(Charles H. Bennett)和当时就职于蒙特利尔大学的布拉萨尔(Gilles Brassard)提出首个量子加密协议。基于两位作者的姓氏首字母和发表年份,该协定也被人称为“bb84”协议。

    “bb84”协议构想了一种基于量子力学的密钥传输方法。我们假设有一个信息发送者Alice,她想发送一串由1和0组成的二进制密钥给信息接受者Bob,同时,还存在一位潜在的窃密者Eve。

    在传统通信渠道中,窃密者Eve可以截获Alice传来的密钥,并复制给Bob。这样,Bob并不会察觉到密钥已经被人窃听了。

    如果将随机产生的密码编码在光子的量子态上,根据前文所述的叠加态特定,一个未知的量子态是不能“乱看”的,一旦被测量,就会随机坍缩成其中一种状态,等于被破坏了。只有使用双方约定的“打开方式”,才能得到正确的密码信息。因此,窃密者Eve无法复制出一模一样的密钥,一旦他窃取并试图自行读取量子密钥,一定会被发现。

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    量子密钥分发协议

    潘建伟带领的中国科学技术大学“量子通信梦之队”基于“bb84”协议,在世界范围内率先实现了量子保密通信的应用。

    从最早的安徽芜湖及合肥城域网,到世界首条量子保密通信干线“京沪干线”,在过去十年里,若以铁路公路等交通基础设施类比,国内量子保密通信网络经历了从“地铁网络”到“高铁网络”的发展。

    长三角、山东提出了覆盖多个城市的量子保密通信网络规划。海南自贸港也计划建成天地一体量子通信环岛网络及量子通信国际业务总部。

    相比起来,欧美国家的量子保密通信网络还在小规模的示范阶段。

    量子保密网络的未来

    虽然量子保密通信网络已经在国内铺开,但相关技术仍有很大的提高空间。一个核心挑战就是突破距离限制。

    要知道,量子力学原理决定了量子不可被克隆,这虽保障了量子密钥分发(QKD)技术的安全性,却也令加载着密钥的光子无法像电信号一样被增强。经过长距离光纤传输后,光子必然会产生损耗。

    全长2032公里的 “京沪干线”沿途了设置32个站点,采用的是“可信中继”方案,即通过人工值守、网络隔离等手段保障站点内的信息安全。

    这种“可信中继”用经典技术手段防止了链路节点入侵,但相对于量子通信可理论证明的安全性,中继站还是“量子魔法”的断点,不是“纯量子链路”。

    6021fbbd01320672720ee28a4829c32c.png

    在最初的量子密钥分发协议BB84问世之后,牛津大学的Artur Ekert曾在1991年提出了新协议E91,随后在1992年又被Brassard等人加以改进形成BBM92协议。这种新版本的量子密钥分发无需中继,神奇的量子纠缠终于发挥用途。

    今年6月,“墨子号”卫星正是宣布用这种方式在距离1120公里的青海德令哈和新疆南山间建立起量子密钥。“墨子号”发射出一对对纠缠起来的光子,而德令哈和南山各有专门的望远镜对纠缠光子进行接收。只要使用相同的“打开方式”,如果一方读出信息为“0”,另一方一定会读出信息为“1”,那么,其中一方对“0”、“1”进行互换,即可共享一串量子密钥。而一旦双方沟通部分密钥,发现差错很多,就是窃听者留下的痕迹。这一过程中,卫星只是负责分发纠缠,本身并不参与量子密钥的产生,因此即使卫星被他方控制,只要地面的双方能够验证纠缠的存在,就能够保证密钥的安全。

    只不过,此次科学实验只是原理性验证,每个轨道只能传送几十个密钥,尚无实用价值。

    另一方面,用量子中继器替代可信中继,将是下一阶段的研究重点。假设信息的接收方和发送方各有一个光子,他们再各自派出一个与之纠缠的光子作为“中介”,让两个“中介”光子在中继站点纠缠起来,那么两者手中留下的光子也会形成纠缠关系。这过程中,还需要解决量子储存、量子纠缠操作等复杂问题,学界普遍认为真正应用为时尚早。

    因此,在欧美近年发布的量子通信网络相关规划中,量子中继器和天基纠缠都被视为研发重点。

    美国白宫国家量子协调办公室今年公开的《美国量子网络战略构想》提出,在未来5年内将演示从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道和跨洲际距离的天基纠缠分发的量子网络基础科学和关键技术。未来20年远景则是量子互联网链路利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能,同时促进人类对纠缠作用的理解。

    总投资10亿欧元的欧洲量子旗舰计划则在3年愿景中提到,利用QKD协议和可信节点网络开发天基量子密码;演示一个可作为未来量子中继器构成模块的初级链路。中长期目标(6~10年愿景)包括:利用量子中继器演示800公里以上距离的量子通信;演示至少20个量子比特的量子网络节点;演示利用卫星链路产生纠缠等。

    可以说,虽然中国在量子保密通信上先行了一步,但若要在未来保持优势,还需广义上的量子信息技术的全面进步。

    责任编辑:李跃群

    校对:丁晓

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  • 量子是什么东西?这个问法的出发点可能就错了。>>>>量子力学的深奥是大家所公认的。我们经常调侃有些影视作品在科幻问题上“遇事不决,量子力学”,连“不自量力”这个旧...

    量子是什么东西?这个问法的出发点可能就错了。

    >>>>

    量子力学的深奥是大家所公认的。我们经常调侃有些影视作品在科幻问题上“遇事不决,量子力学”,连“不自量力”这个旧词也被人新解为“不要试图自学量子力学”。

    量子力学确实很难以我们日常生活的经验和观察来理解。但这不妨碍我们抽象地领会关于量子力学一些最核心的内涵,形成最基础的“量子化思维”。

    为什么很难用日常思维来理解?1900年,当人们欢庆经典物理学大厦已经基本落成,美丽而晴朗的天空中只剩下两朵“乌云”。后来,这两朵“乌云”一朵演化成了描述宇宙大尺度结构的广义相对论,一朵演化成了描述宇宙微观世界的量子力学。在极大和极小的尺度里,我们熟悉的经典物理学都不适用,呈现出许多陌生的奇景。

    回到开头那个问题。正是因为量子力学是描述微观世界的理论,很多人会误以为量子像原子、质子、电子、光子一样,是特指某种微小的粒子。

    量子是什么东西?其实,量子不是某个特定的东西,一个物理量如果存在最小的不可分割的基本单位,则这个物理量是量子化的,并把最小单位称为量子。

    同样是在1900年,普朗克为解决其中一朵“乌云”提出了量子这个假设。意为能量存在一个最小的单位,是“一份份”存在的。有一份能量,有两份能量,但没有半份能量。

    1900年,普朗克提出了量子概念。

    也就是说,量子像是“1”一样的单位。这个物理概念本质上是想描述一种离散性,一种不连续性。量子化的世界就像是还没有学到分数概念的小学一年级学生,只知道1、2、3、4地跳跃。

    一个光子、一个电子、一个原子,当然也是一份一份的,没有半个光子、半个电子、半个原子的说法。因此,它们也具有量子化特性,可以视为量子。却不能说,量子就是某种粒子。

    奇妙的微观世界

    当我们将目光聚焦到这么小的尺度上,就会发现许多与宏观世界截然不同的奇妙现象。

    很多人都听说过“薛定谔的猫”。这个比喻就是想把微观粒子的量子叠加态放大为常人易于理解的宏观生死状态。一个光子可以同时处于两个状态的叠加,而一旦对该光子的状态进行测量,它就会随机坍缩到其中一种状态。

    而两个光子之间建立起更为奇妙的量子纠缠。处于纠缠态的两个量子不论相距多远都存在一种关联,其中一个量子状态发生改变(比如人们对其进行测量),另一个的状态会瞬时发生相应改变,仿佛“心灵感应”。

    正因为量子力学可以用来精准地描述这些微观世界的规律,我们研究半导体、激光、新材料等等显然必须要用到这个工具。科学家们也可以在“螺蛳壳里做道场”,利用一些只有在微观世界才会出现的奇妙现象,操纵微观粒子们实现一些用经典物理学无法做到的任务。

    中科院院士潘建伟表示,量子科技的具体应用包括量子通信、量子计算和量子精密测量三个领域。在量子通信领域,我国已处于国际领先地位。一方面要加快发展下一代广域量子通信网络技术体系,进一步扩大领先优势;另一方面需要和用户部门密切配合,特别是在安全性测评的基础上推进标准体系的建立,进而推广在国防、政务、金融等领域的应用,将研究的优势转化为产业的优势。

    在量子计算领域,我国整体上与发达国家处于同一水平线。在量子精密测量领域,我国整体上相比发达国家还存在一定的差距,但发展迅速。

    那么,下面我们就来重点讲一讲近年来国内发展很快、热度很高的量子通信。

    量子密码

    许多人会把量子纠缠误当做量子通信。但其实,现阶段的量子通信通常是指“量子密钥分发”(QKD)技术,没有用到量子纠缠技术,更谈不上“瞬间传输”。它的核心不在于通信,而在于生成一串密钥。

    1984年,当时任职于IBM研究中心的本内特(Charles H. Bennett)和当时就职于蒙特利尔大学的布拉萨尔(Gilles Brassard)提出首个量子加密协议。基于两位作者的姓氏首字母和发表年份,该协定也被人称为“bb84”协议。

    “bb84”协议构想了一种基于量子力学的密钥传输方法。我们假设有一个信息发送者Alice,她想发送一串由1和0组成的二进制密钥给信息接受者Bob,同时,还存在一位潜在的窃密者Eve。

    在传统通信渠道中,窃密者Eve可以截获Alice传来的密钥,并复制给Bob。这样,Bob并不会察觉到密钥已经被人窃听了。

    如果将随机产生的密码编码在光子的量子态上,根据前文所述的叠加态特定,一个未知的量子态是不能“乱看”的,一旦被测量,就会随机坍缩成其中一种状态,等于被破坏了。只有使用双方约定的“打开方式”,才能得到正确的密码信息。因此,窃密者Eve无法复制出一模一样的密钥,一旦他窃取并试图自行读取量子密钥,一定会被发现。

    量子密钥分发协议

    潘建伟带领的中国科学技术大学“量子通信梦之队”基于“bb84”协议,在世界范围内率先实现了量子保密通信的应用。

    从最早的安徽芜湖及合肥城域网,到世界首条量子保密通信干线“京沪干线”,在过去十年里,若以铁路公路等交通基础设施类比,国内量子保密通信网络经历了从“地铁网络”到“高铁网络”的发展。

    长三角、山东提出了覆盖多个城市的量子保密通信网络规划。海南自贸港也计划建成天地一体量子通信环岛网络及量子通信国际业务总部。

    相比起来,欧美国家的量子保密通信网络还在小规模的示范阶段。

    量子保密网络的未来

    虽然量子保密通信网络已经在国内铺开,但相关技术仍有很大的提高空间。一个核心挑战就是突破距离限制。

    要知道,量子力学原理决定了量子不可被克隆,这虽保障了量子密钥分发(QKD)技术的安全性,却也令加载着密钥的光子无法像电信号一样被增强。经过长距离光纤传输后,光子必然会产生损耗。

    全长2032公里的 “京沪干线”沿途了设置32个站点,采用的是“可信中继”方案,即通过人工值守、网络隔离等手段保障站点内的信息安全。

    这种“可信中继”用经典技术手段防止了链路节点入侵,但相对于量子通信可理论证明的安全性,中继站还是“量子魔法”的断点,不是“纯量子链路”。

    在最初的量子密钥分发协议BB84问世之后,牛津大学的Artur Ekert曾在1991年提出了新协议E91,随后在1992年又被Brassard等人加以改进形成BBM92协议。这种新版本的量子密钥分发无需中继,神奇的量子纠缠终于发挥用途。

    今年6月,“墨子号”卫星正是宣布用这种方式在距离1120公里的青海德令哈和新疆南山间建立起量子密钥。“墨子号”发射出一对对纠缠起来的光子,而德令哈和南山各有专门的望远镜对纠缠光子进行接收。只要使用相同的“打开方式”,如果一方读出信息为“0”,另一方一定会读出信息为“1”,那么,其中一方对“0”、“1”进行互换,即可共享一串量子密钥。而一旦双方沟通部分密钥,发现差错很多,就是窃听者留下的痕迹。这一过程中,卫星只是负责分发纠缠,本身并不参与量子密钥的产生,因此即使卫星被他方控制,只要地面的双方能够验证纠缠的存在,就能够保证密钥的安全。

    只不过,此次科学实验只是原理性验证,每个轨道只能传送几十个密钥,尚无实用价值。

    另一方面,用量子中继器替代可信中继,将是下一阶段的研究重点。假设信息的接收方和发送方各有一个光子,他们再各自派出一个与之纠缠的光子作为“中介”,让两个“中介”光子在中继站点纠缠起来,那么两者手中留下的光子也会形成纠缠关系。这过程中,还需要解决量子储存、量子纠缠操作等复杂问题,学界普遍认为真正应用为时尚早。

    因此,在欧美近年发布的量子通信网络相关规划中,量子中继器和天基纠缠都被视为研发重点。

    美国白宫国家量子协调办公室今年公开的《美国量子网络战略构想》提出,在未来5年内将演示从量子互连、量子中继器、量子存储器到高通量量子信道和跨洲际距离的天基纠缠分发的量子网络基础科学和关键技术。未来20年远景则是量子互联网链路利用网络化量子设备实现经典技术无法实现的新功能,同时促进人类对纠缠作用的理解。

    总投资10亿欧元的欧洲量子旗舰计划则在3年愿景中提到,利用QKD协议和可信节点网络开发天基量子密码;演示一个可作为未来量子中继器构成模块的初级链路。中长期目标(6~10年愿景)包括:利用量子中继器演示800公里以上距离的量子通信;演示至少20个量子比特的量子网络节点;演示利用卫星链路产生纠缠等。

    可以说,虽然中国在量子保密通信上先行了一步,但若要在未来保持优势,还需广义上的量子信息技术的全面进步。

    —THE END—

    编辑 ∑Gemini

    来源:澎湃新闻

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  • 具体到物理上,人类建立个两大科学支柱,一个爱因斯坦那著名的相对论,另一个便由众多科学家一起努力而筑建的量子力学! 或许,你认为量子力学距离你的生活很遥远,但这只不过你的误解而已!事实上,我们如今...

    上个世纪是人类科学技术突飞猛进的时代。具体到物理上,人类建立个两大科学支柱,一个是爱因斯坦那著名的相对论,另一个便是由众多科学家一起努力而筑建的量子力学!

    或许,你认为量子力学距离你的生活很遥远,但这只不过是你的误解而已!事实上,我们如今所应用的所有科技产品几乎都涵盖了量子力学。在现代,量子力学的应用程度远远大于相对论。因为我们通常认为相对论是爱因斯坦一个人的成果,所以,个人英雄主义的光辉形象就会让相对论深刻的扎根在人们的脑海中,也就导致了相对论的知名度大于量子力学。但事实上,量子力学在目前的科学应用方面远大于相对论。 相对论效应更多的是在接近光速的情况下很实用,但是我们生活却远远小于光速。

    640

    量子力学是研究微观世界的一门科学理论。这么说吧,世间万物都是由基本的原子,电子等基本粒子构成。你或许经常听说,电子,原子,质子,中子等等粒子。那些粒子就是构成我们宏观世界的最基本粒子。你或许听到“量子”二字几乎都是和量子力学,量子通信,或者量子纠缠连在一起的。但是“量子”到底是什么东西?它比电子,原子还小吗?

    其实量子只是一个物理概念而已,并不是具体的实在粒子。我们知道电磁波的传播子就是光子,所以光子也就是电磁波的量子,也就是光量子,简称光子。因为我们知道,光子是构成电磁波的最基本的单位,所以就是量子的。其实任何物质都是由一个最基本,不可再分的单位构成,而这个最基本的单位就是这个物质的量子。

    640

    量子概念的提出很有意思,一开始普朗克发现了黑体辐射的不连续性不能通过经典力学来解释。通俗一点说,就是一个完全黑的东西,这个完全黑的东西会吸收一切光线。但是科学家发现,光被黑体吸收不是连续的。因为人们一开始不知道光是由光子构成的,所以黑体吸收光线应该是连续的。但是实验数据却表明,黑体吸收光线是一份一份的,并不是连续的。之后的爱因斯坦推广了量子化概念,认为一束光是一个个光子构成的,并且一份份的被黑体吸收。爱因斯坦继承了普朗克的量子概念,并成功解释了光电效应。 所以我们可以发现,光子这种东西就是光的量子。

    640

    黑体吸收光线之所以不是连续的,是因为光子是一个个具体的实在粒子,所以它们会一份份的被黑体吸收。黑体辐射的不连续性,就体现在光是由光量子(光子)构成了。正是因为光子是一个个粒子,所以它们被黑体吸收只能一个个挨着来,所以就不是连续的了!

    其实水分子也可以叫做是水的量子,因为水是由水分子这个基本单位构成的。但是我们一般常认为是量子的东西是光子,这是不仅因为光子在现代科学的重要性,更由于前辈们最早提出量子的概念是通过思考光的本质而得来的!



    原文发布时间为:2017.09.09
    本文作者:科学认识论
    本文来源:简书,如需转载请联系原作者。

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  • 本文的目的是通过一个简单的例子让您准确地了解量子计算机是什么。 对于理解本文,无需具备量子物理或计算机科学的知识。 好,我们开始吧。 什么是量子计算机? 以下是量子计算机的一个总结: 量子计算机是...

    大家好!

    前几天,我访问了加拿大温哥华的D-Wave Systems。这是一家制造尖端量子计算机的公司。

    我在那里学到了很多关于量子计算机的知识,所以我想在这篇文章中与你们分享我在那里学到的一些东西。

    本文的目的是通过一个简单的例子让您准确地了解量子计算机是什么。

    对于理解本文,无需具备量子物理或计算机科学的知识。

    好,我们开始吧。

    什么是量子计算机?

    以下是量子计算机的一个总结:

    量子计算机是一种使用量子力学原理来进行计算的计算机,它能比普通计算机更有效地执行特定类型的计算。

    这句话中有很多东西需要解释,我用一个简单的例子来说明它到底是什么。

    为了解释什么是量子计算机,首先需要解释一下常规(非量子)计算机。

    普通计算机是如何储存信息的

    一台普通的计算机以0和1的序列存储信息。

    不同类型的信息,如数字、文本和图像都可以用这种方式表示。

    这个由0和1组成的序列中的每个单元都被称为比特位。所以,比特位可以设置为0或1。

    那么量子计算机呢?

    量子计算机不使用比特来存储信息。相反,它使用一种叫量子位的东西。

    每个量子位不仅可以设置为1 0,还可以设置为1 0。那这到底意味着什么呢?

    用一个简单的例子来解释这个问题。这是一个人为的例子。但它仍然有助于理解量子计算机是如何工作的。

    一个理解量子计算机如何工作的简单例子

    现在,假设你在经营一家旅行社,你需要把一群人从一个地方搬到另一个地方。

    为了简单起见,假设你现在只需要移动3个人——Alice, Becky和Chris。

    假设你为此预定了两辆出租车,你想知道谁上了哪辆出租车。

    另外,假设你得到了关于谁和谁是朋友,谁和谁是敌人的信息。

    这里我们假设:

    • Alice和Becky是朋友
    • Alice和Chris是敌人
    • Becky和Chris是敌人

    假设你的目标是把这3个人分成两组并实现以下两个目标:

    • 最大限度地增加共享同一辆车的朋友对的数量
    • 最大限度地减少共享同一辆车的敌人对的数量

    这是这个问题的基本前提。我们首先考虑如何用普通计算机解决这个问题。

    用普通计算机解决这个问题

    要用普通的非量子计算机解决这个问题,首先需要弄清楚如何用比特存储相关信息。

    我们把这两个出租车标记为出租车1号和出租车0号。

    然后,你可以用3个比特位表示谁进入哪辆车。

    例如,我们可以通过将这3位设为00,和1来表示:

    • Alice在0号出租车
    • Becky在0号出租车
    • Chris在1号出租车

    因为每个人有两种选择,所以有2x2x2 = 8种方法将这群人分到两辆车上。

    这里列出了所有可能的情况:
    A | B | C
    0 | 0 | 0
    0 | 0 | 1
    0 | 1 | 0
    0 | 1 | 1
    1 | 0 | 0
    1 | 0 | 1
    1 | 1 | 0
    1 | 1 | 1
    使用3个比特位,就可以表示这些组合中的任何一种。

    计算每个配置的得分

    现在,使用普通计算机,我们如何确定哪种配置是最好的方案呢?

    为此,我们需要定义如何计算每个配置的得分。这个分数将代表每个解决方案达到我前面提到的两个目标的程度:

    • 最大限度地增加共享同一辆车的朋友对的数量
    • 最大限度地减少共享同一辆车的敌人对的数量

    我们简单定义分数如下:
    给定配置的分数 = 共享同一辆车的朋友对数 - 共享同一辆车的敌人对数

    例如,假设Alice, Becky和Chris都乘坐出租车1号。用三个比特表示为111

    在这种情况下,只有一对朋友共用一辆车——Alice和Becky。

    但是却有两对敌人共用一辆车——Alice和Chris, 以及Becky和Chris

    所以,这个配置的总分为 1-2 = -1.

    解决问题

    有了这些,我们终于可以着手解决这个问题了。

    对于一台普通的计算机,要找到最好的配置,你需要遍历所有配置,看看哪个达到了最高分。

    所以,构建这样一个表格:
    A | B | C | Score
    0 | 0 | 0 | -1
    0 | 0 | 1 | 1 <- 最佳解决方案之一
    0 | 1 | 0 | -1
    0 | 1 | 1 | -1
    1 | 0 | 0 | -1
    1 | 0 | 1 | -1
    1 | 1 | 0 | 1 <- 另一个最佳解决方案
    1 | 1 | 1 | -1
    如你所见,这里有两个正确的答案——001和110,都达到了1分。

    这个问题相当简单。但是随着越来越多的人参与到这个问题中来,用一台普通的电脑很快就会变得难以解决。

    我们看到如果是3个人,需要遍历8种可能的配置。

    如果有4个人呢?我们需要遍历2x2x2x2 = 16个配置。

    对于n个人,我们需要通过遍历2的n次方个配置来找到最佳解。

    所以,如果有100个人,我们需要遍历:

    • 2¹⁰⁰ ~= 10³⁰个配置

    这是用普通计算机根本无法解决的问题。

    用量子计算机解决这个问题

    我们如何用量子计算机来解决这个问题?

    让我们回到把3个人分到两辆出租车的例子。

    正如我们前面看到的,这个问题有8种可能的解决方案:
    A | B | C
    0 | 0 | 0
    0 | 0 | 1
    0 | 1 | 0
    0 | 1 | 1
    1 | 0 | 0
    1 | 0 | 1
    1 | 1 | 0
    1 | 1 | 1
    用一台普通的计算机,用3个比特位,我们一次只能表示其中一个解——例如001。

    然而,使用量子计算机,通过3个量子位,我们可以同时表示所有8个解

    关于这个说法的确切含义存在争议,但我的看法是这样的。

    首先,来看这3个量子位中的第一个量子位。当你将其设置为01时,就好像创建了两个并行世界(是的,很奇怪,请接着看下文)。

    在其中一个平行世界中,量子位被设置为0,而在另一个平行世界中为1。

    现在,如果再把第二个量子位也设为0 1呢?那么,就像是创造了4个平行世界。

    在第一个平行世界中,两个量子位被设置为00,第二个平行世界中是01,第三个平行世界中是10,第四个平行世界中是11。

    类似地,如果你将这三个量子位都设置为0和1,就会创建8个平行世界——000,001,010,011,100,101,110和111。

    这是一种奇怪的思考方式,但它是解释量子比特在现实世界中的行为的正确方式之一。

    现在,当你对这三个量子位进行某种计算时,你实际上是在同时对这8个平行世界进行同样的计算。

    因此,我们可以同时计算所有解的分数,而不是按顺序遍历所有这些可能的解。

    有了这个特殊的例子,理论上,你的量子计算机可以在几毫秒内找到最好的解——001或110,正如我们之前看到的:
    A | B | C | Score
    0 | 0 | 0 | -1
    0 | 0 | 1 | 1 <- 最优解之一
    0 | 1 | 0 | -1
    0 | 1 | 1 | -1
    1 | 0 | 0 | -1
    1 | 0 | 1 | -1
    1 | 1 | 0 | 1 <- 另一个最优解
    1 | 1 | 1 | -1
    实际上,要解决这个问题,你需要让你的量子计算机做两件事:

    • 所有可能的解都用量子位表示
    • 将每个可能的解转化成分数的函数。在本例中,这个函数计算共享同一辆车的朋友对和敌人对的数量。

    具备了这两条,你的量子计算机将在几毫秒内给出其中一个最好的解决方案。在本例中,分数为1的是001或110。

    现在,从理论上讲,量子计算机每次运行都能找到最好的解。

    然而,实际上,在运行量子计算机时有可能存在错误。所以,它可能会找到次优解,次次优解,等等。

    随着问题变得越来越复杂,这些错误变得越来越突出。

    因此,在实践中,你可能希望在量子计算机上运行相同的操作数十次或数百次。然后从你得到的结果中选出最好的。

    量子计算机是如何带来改进的

    即使有我提到的错误,量子计算机也没有普通计算机所遇到的同样的计算规模问题。

    当有3个人需要分到两辆车上时,我们需要在量子计算机上执行的操作数是1。这是因为量子计算机同时计算所有情况的分数。

    当有4个人的时候,操作的次数仍然是1。

    当有100人的时候,操作的次数仍然是1。仅仅一次操作,量子计算机就能同时计算出2¹⁰⁰~ = 10³⁰种情况的分数。

    正如我之前提到的,在实践中,最好是运行量子计算机几十次或几百次,然后从得到的结果中选出最好的结果。

    然而,它仍然比在普通计算机上运行同样的问题,并且必须重复同样类型的计算3.75亿次要好得多。

    总结

    特别感谢D-Wave Systems的每个人耐心地向我解释这一切。

    D-Wave最近推出了一个与量子计算机交互的云环境。

    如果你是一名开发人员,并且想尝试使用量子计算机,这可能是最简单的方法。

    它叫Leap,访问地址为https://cloud.dwavesys.com/leap。你可以免费使用它来解决成千上万的问题,而且一旦你注册了,还会提供了易于学习的量子计算机教程。

    补充

    • 在本文中,我使用术语“常规计算机”来指代非量子计算机。然而,在量子计算行业中,非量子计算机通常被称为经典计算机。

    原文链接:https://medium.freecodecamp.org/what-is-a-quantum-computer-explained-with-a-simple-example-b8f602035365

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空空如也

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