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2012年3月18日
量子計算入門
評分: 4.2/5 (208 票)
這絕不是全面的，我在寫這篇文章時被限制在 5 頁。 但希望你能理解量子計算背後的物理原理，以及它的一些應用。 至少，如果你想做進一步的研究，它可以作為一個參考點。
注意：沒有適合此文章的類別，所以現在是一個操作指南文章 :D 引用的作品在附件中。
量子計算
當前技術
“經典”計算機都遵循類似的設計。 它們基於馮·諾依曼架構，並且都表現出所謂的“馮·諾依曼瓶頸”。 這基本上意味著，如果沒有並行程式設計，當前的計算機一次只能執行一個動作。 對於當前的處理器來說，這對於大多數任務來說執行良好。 處理器目前每秒可以執行數百萬條指令，而且這個數字還在不斷上升。 那麼，為什麼需要替代技術呢？ 摩爾定律指出，整合晶片的密度大約每 18 個月翻一番，似乎沒有太大的改變需求。 最終，工程師們將會達到他們能在這些晶片上放置多少東西的極限。 電晶體只能變得這麼小。 更不用說 Rock's Law，它指出建造生產這些晶片的工廠的成本每四年翻一番。 因此，隨著生產價格的上漲和晶片密度達到極限，計算機接下來會走向何方？ 已經有許多替代方案被理論化，其中最有希望和最有趣的是量子計算。
量子計算的歷史
量子力學理論已經存在了近 200 年，但在過去的 30 年裡，人們才開始認為這些原理可以應用於計算。 許多人認為 Peter Shor 是量子計算之父。 他是第一個透過他的演算法（稱為 Shor 演算法）將量子計算理論帶入現實的人，但他並不是第一個提出量子計算機想法的人。 被認為是第一個提到量子計算機的人是 Richard Feynman。 他解決了經典計算機不適合模擬現實物理世界的問題。 他解決這個問題的想法是建立一個主要由量子力學元件組成的計算機，它將遵守量子定律。 量子計算發展中的另外兩個關鍵人物是 Steve Wiesner 和 David Deutsch。 Wiesner 是研究量子密碼學的領軍人物，並將不確定性原理應用於此。 David Deutsch 表明，任何物理特性都可以在量子計算機中完美建模。
用於計算的量子物理學
量子計算背後的主要概念是量子位元（qubit）。 量子位元類似於位元，但又截然不同。 位元僅限於 0 和 1 的值，而量子位元也可以表示 0 和 1，但它也可以表示 0 和 1 的疊加。 疊加的概念指出，量子粒子可以同時部分存在於其所有可能的狀態中。 這就是量子計算如此有趣的原因。 疊加是量子計算機並行性的來源，或者說是一次執行多個計算的能力。 例如，根據 Deutch 的說法，一臺 30 量子位元的計算機理論上能夠以每秒 10 萬億次浮點運算的速度執行！ 今天的經典計算機以每秒數十億次浮點運算的速度執行。 但這也發生在比 30 位元多得多的情況下。 這個理論的一個問題是，一旦在疊加狀態下觀察量子位元，它將假定值 1 或 0，本質上使其成為一個花哨的位元。 試圖觀察量子位元時也可能會意外地“碰撞”它並改變其值。 解決這些問題的方法是量子理論中的另一個重要概念，稱為量子糾纏。 糾纏表明，如果對兩個原子施加一些外力，它們將會糾纏，並且一個原子將假定另一個原子的屬性。 這使得物理學家可以透過觀察其糾纏的對應物來觀察一個原子，從而消除了“碰撞”儲存你的值的原子的風險。 如果沒有糾纏，量子計算機只不過是一臺非常昂貴和複雜的數字計算機。
對計算機科學家的影響
對於計算機科學家來說，量子計算最有趣的方面也許是它如何影響演算法和演算法設計。 量子演算法可以比任何當前技術演算法更快地解決一些問題，並且可以至少與當前技術一樣快地解決任何其他問題。 量子計算機可以更快解決的一個例子是數字分解。 使用當前技術，分解大數在計算上是不可行的，而這正是 RSA 加密的基礎。 量子計算能夠比經典計算更快地分解數字，這已經透過 Shor 演算法得到證實。 Shor 演算法於 2001 年首次由 IBM 的一個團隊演示。 他們使用一臺具有七個量子位元的量子計算機來分解 15，這是可以透過該演算法分解的最小數字。 為什麼一些計算在量子計算機上更快的原因是並行性。 目前，平行計算是透過使用額外的硬體和多臺計算機來實現的，但是透過量子計算，所有這些都可以在單個處理器中完成。 例如，如果將一個處於疊加狀態的量子位元與另一個處於相同疊加狀態的量子位元進行一些計算，則將得到四個結果。 它將輸出 0/0、0/1、1/0 和 1/1 結果。 如果取兩個量子位元並對另外兩個量子位元執行操作，則將得到 00/00、01/00、10/00、11/00、00/01、00/10 等結果。
量子計算的優點和缺點
量子計算可能對技術世界產生有趣的影響。 最吸引人的好處可能是量子計算帶來的固有並行性。 與經典計算機相比，能夠在任何給定時間執行指數級更多的計算非常重要。 量子並行性可以被認為是既有益的又重要的。 由於這種並行性，量子計算機可以在相當短的時間內分解大數，而這是目前不可行的任務。 這裡的問題是，一些用於保護許多重要資訊的加密技術，是基於分解大數目前是不可行的。 量子計算機可以很容易地破解任何依賴於非常難以分解的大數的加密協議。 理論上，這可能使所有這些資訊不再受到保護。 量子並行性帶來的另一個好處是能夠比今天更快地搜尋大型資料庫。 量子計算帶來的另一個好處是真正的隨機性。 目前，在計算機中，隨機數是透過複雜的演算法生成的，因此只能生成偽隨機數。 量子力學的核心概念之一是固有的隨機性。 例如，如果將一個光子射向分束器，則該光子將以相等的 50/50 的機會向兩個方向之一傳播。 無法準確確定它將走向哪個方向，只能做出有根據的猜測。 除了量子計算的好處之外，它還有一些缺點。 顯而易見的缺點是開發它們的巨大成本和複雜性。 2005 年，Rainer Blatt 的研究團隊成功地建立了一臺具有 14 量子位元暫存器的計算機。 因此，還需要大量時間才能看到實際的量子計算機被製造出來。 在量子世界中，可能出錯的事情太多了。
假設的未來
量子計算非常有趣，因為它的可能優勢，但目前它太複雜且容易出錯，無法成為一個實用的系統，但是物理學家在解決這些問題方面取得了很大的進展。 那麼量子計算的未來會是什麼樣呢？ 量子計算機不會成為新的 PC，至少在相當長的一段時間內不會。 但可能會有大型量子計算機充當伺服器系統。 個人計算機世界和網際網路世界已經合二為一，因此擁有一系列“雲”量子計算機，人們可以連線到這些計算機以執行一些複雜的計算，這是非常可信的。 現在說普通使用者將從該領域的進步中獲得多少好處還為時過早，但這肯定會幫助大型公司和科學界。 它將導致對量子世界的整體理解取得進步。 僅具有幾百個量子位元的量子計算機可以處理大量的流量，因此作為伺服器的量子計算機幾乎可以免受拒絕服務攻擊。 這也意味著需要更少的伺服器來處理世界的流量。
結論
當前技術只能發展到這種程度。 自電晶體問世以來，每年都在變得越來越小，但是在達到原子尺寸之前，它們只能變得這麼小。 一旦達到這個規模，電晶體技術將達到其最大潛力。 有研究人員正在研究可能的解決方案，但是量子計算引起了最多的關注。 使用相對少量的量子位元可以獲得的巨大計算能力令人震驚。 所有這些力量也可能導致問題。 世界上許多金融資訊都是使用一種生成大數的技術進行加密的，這些大數使用當前技術無法再分解。 藉助這種新力量，我們的加密系統可能會在一天之內被破解。 量子計算可能會帶來一些後果，但是可以看到收益大於它們。 下一代計算正在被創造出來。
注意：沒有適合此文章的類別，所以現在是一個操作指南文章 :D 引用的作品在附件中。
量子計算
當前技術
“經典”計算機都遵循類似的設計。 它們基於馮·諾依曼架構，並且都表現出所謂的“馮·諾依曼瓶頸”。 這基本上意味著，如果沒有並行程式設計，當前的計算機一次只能執行一個動作。 對於當前的處理器來說，這對於大多數任務來說執行良好。 處理器目前每秒可以執行數百萬條指令，而且這個數字還在不斷上升。 那麼，為什麼需要替代技術呢？ 摩爾定律指出，整合晶片的密度大約每 18 個月翻一番，似乎沒有太大的改變需求。 最終，工程師們將會達到他們能在這些晶片上放置多少東西的極限。 電晶體只能變得這麼小。 更不用說 Rock's Law，它指出建造生產這些晶片的工廠的成本每四年翻一番。 因此，隨著生產價格的上漲和晶片密度達到極限，計算機接下來會走向何方？ 已經有許多替代方案被理論化，其中最有希望和最有趣的是量子計算。
量子計算的歷史
量子力學理論已經存在了近 200 年，但在過去的 30 年裡，人們才開始認為這些原理可以應用於計算。 許多人認為 Peter Shor 是量子計算之父。 他是第一個透過他的演算法（稱為 Shor 演算法）將量子計算理論帶入現實的人，但他並不是第一個提出量子計算機想法的人。 被認為是第一個提到量子計算機的人是 Richard Feynman。 他解決了經典計算機不適合模擬現實物理世界的問題。 他解決這個問題的想法是建立一個主要由量子力學元件組成的計算機，它將遵守量子定律。 量子計算發展中的另外兩個關鍵人物是 Steve Wiesner 和 David Deutsch。 Wiesner 是研究量子密碼學的領軍人物，並將不確定性原理應用於此。 David Deutsch 表明，任何物理特性都可以在量子計算機中完美建模。
用於計算的量子物理學
量子計算背後的主要概念是量子位元（qubit）。 量子位元類似於位元，但又截然不同。 位元僅限於 0 和 1 的值，而量子位元也可以表示 0 和 1，但它也可以表示 0 和 1 的疊加。 疊加的概念指出，量子粒子可以同時部分存在於其所有可能的狀態中。 這就是量子計算如此有趣的原因。 疊加是量子計算機並行性的來源，或者說是一次執行多個計算的能力。 例如，根據 Deutch 的說法，一臺 30 量子位元的計算機理論上能夠以每秒 10 萬億次浮點運算的速度執行！ 今天的經典計算機以每秒數十億次浮點運算的速度執行。 但這也發生在比 30 位元多得多的情況下。 這個理論的一個問題是，一旦在疊加狀態下觀察量子位元，它將假定值 1 或 0，本質上使其成為一個花哨的位元。 試圖觀察量子位元時也可能會意外地“碰撞”它並改變其值。 解決這些問題的方法是量子理論中的另一個重要概念，稱為量子糾纏。 糾纏表明，如果對兩個原子施加一些外力，它們將會糾纏，並且一個原子將假定另一個原子的屬性。 這使得物理學家可以透過觀察其糾纏的對應物來觀察一個原子，從而消除了“碰撞”儲存你的值的原子的風險。 如果沒有糾纏，量子計算機只不過是一臺非常昂貴和複雜的數字計算機。
對計算機科學家的影響
對於計算機科學家來說，量子計算最有趣的方面也許是它如何影響演算法和演算法設計。 量子演算法可以比任何當前技術演算法更快地解決一些問題，並且可以至少與當前技術一樣快地解決任何其他問題。 量子計算機可以更快解決的一個例子是數字分解。 使用當前技術，分解大數在計算上是不可行的，而這正是 RSA 加密的基礎。 量子計算能夠比經典計算更快地分解數字，這已經透過 Shor 演算法得到證實。 Shor 演算法於 2001 年首次由 IBM 的一個團隊演示。 他們使用一臺具有七個量子位元的量子計算機來分解 15，這是可以透過該演算法分解的最小數字。 為什麼一些計算在量子計算機上更快的原因是並行性。 目前，平行計算是透過使用額外的硬體和多臺計算機來實現的，但是透過量子計算，所有這些都可以在單個處理器中完成。 例如，如果將一個處於疊加狀態的量子位元與另一個處於相同疊加狀態的量子位元進行一些計算，則將得到四個結果。 它將輸出 0/0、0/1、1/0 和 1/1 結果。 如果取兩個量子位元並對另外兩個量子位元執行操作，則將得到 00/00、01/00、10/00、11/00、00/01、00/10 等結果。
量子計算的優點和缺點
量子計算可能對技術世界產生有趣的影響。 最吸引人的好處可能是量子計算帶來的固有並行性。 與經典計算機相比，能夠在任何給定時間執行指數級更多的計算非常重要。 量子並行性可以被認為是既有益的又重要的。 由於這種並行性，量子計算機可以在相當短的時間內分解大數，而這是目前不可行的任務。 這裡的問題是，一些用於保護許多重要資訊的加密技術，是基於分解大數目前是不可行的。 量子計算機可以很容易地破解任何依賴於非常難以分解的大數的加密協議。 理論上，這可能使所有這些資訊不再受到保護。 量子並行性帶來的另一個好處是能夠比今天更快地搜尋大型資料庫。 量子計算帶來的另一個好處是真正的隨機性。 目前，在計算機中，隨機數是透過複雜的演算法生成的，因此只能生成偽隨機數。 量子力學的核心概念之一是固有的隨機性。 例如，如果將一個光子射向分束器，則該光子將以相等的 50/50 的機會向兩個方向之一傳播。 無法準確確定它將走向哪個方向，只能做出有根據的猜測。 除了量子計算的好處之外，它還有一些缺點。 顯而易見的缺點是開發它們的巨大成本和複雜性。 2005 年，Rainer Blatt 的研究團隊成功地建立了一臺具有 14 量子位元暫存器的計算機。 因此，還需要大量時間才能看到實際的量子計算機被製造出來。 在量子世界中，可能出錯的事情太多了。
假設的未來
量子計算非常有趣，因為它的可能優勢，但目前它太複雜且容易出錯，無法成為一個實用的系統，但是物理學家在解決這些問題方面取得了很大的進展。 那麼量子計算的未來會是什麼樣呢？ 量子計算機不會成為新的 PC，至少在相當長的一段時間內不會。 但可能會有大型量子計算機充當伺服器系統。 個人計算機世界和網際網路世界已經合二為一，因此擁有一系列“雲”量子計算機，人們可以連線到這些計算機以執行一些複雜的計算，這是非常可信的。 現在說普通使用者將從該領域的進步中獲得多少好處還為時過早，但這肯定會幫助大型公司和科學界。 它將導致對量子世界的整體理解取得進步。 僅具有幾百個量子位元的量子計算機可以處理大量的流量，因此作為伺服器的量子計算機幾乎可以免受拒絕服務攻擊。 這也意味著需要更少的伺服器來處理世界的流量。
結論
當前技術只能發展到這種程度。 自電晶體問世以來，每年都在變得越來越小，但是在達到原子尺寸之前，它們只能變得這麼小。 一旦達到這個規模，電晶體技術將達到其最大潛力。 有研究人員正在研究可能的解決方案，但是量子計算引起了最多的關注。 使用相對少量的量子位元可以獲得的巨大計算能力令人震驚。 所有這些力量也可能導致問題。 世界上許多金融資訊都是使用一種生成大數的技術進行加密的，這些大數使用當前技術無法再分解。 藉助這種新力量，我們的加密系統可能會在一天之內被破解。 量子計算可能會帶來一些後果，但是可以看到收益大於它們。 下一代計算正在被創造出來。