什么是量子计算中的叠加和纠缠
什么是量子计算中的叠加和纠缠
量子计算是当前科技领域的前沿话题，它基于量子力学的原理，与传统的经典计算有着本质的区别。其中，叠加和纠缠是量子计算的两大基石概念。本文将深入浅出地解释这两个概念，并探讨量子计算的潜力与挑战。
量子计算与经典计算有很大不同，并且有新的基础知识和术语需要学习。其中两个是叠加和纠缠的概念——当你学习这种新的计算方式时，你需要努力解决的大概念。 量子比特可用的可能性状态称为叠加，其中超表示多，位置表示可能性。传统位可以是 0 或 1。处于叠加状态的量子比特没有定义的值，因为它同时拥有许多潜在值。但是，当我们测量一个量子比特时，我们只会得到 0 或 1——无论量子比特的高能波函数在测量时坍缩到哪个值。乔治·华盛顿曾经警告美国人要避免与外国纠缠不清。但是对于量子比特，我们欢迎纠缠作为我们量子计算工具包中额外的强大工具。当一个纠缠的量子比特处于叠加状态时，它的每个纠缠连接也都处于叠加状态。这些级联的不确定性成倍地增加了量子计算机的潜在能力。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在量子力学史上戴着两顶帽子，而这两顶帽子并不能舒适地戴在一个头上。只有当量子比特保持相干状态，不与环境交互时，它们才能用于量子计算。为了进行量子计算，量子比特需要遵循量子力学的规则，而这些规则仅适用于相干量子比特。量子比特必须重新初始化 - 恢复相干性 - 然后才能再次用于计算。与经典计算相比，完全掌握量子计算的潜在能力具有挑战性，因为这种能力是基于量子力学原理的。但我们可以用一点数学来总结它。花时间去研究量子计算的奇怪性和强大功能是很容易的。但是，量子计算将对人类产生什么影响呢？
重合
叠加是支撑量子计算力量的两大支柱中的第一根。另一种是纠缠，将在下一节中描述。
欢迎外来纠葛
纠缠是两个或多个量子粒子之间的一种连接。例如，量子粒子有一种称为自旋的特性，我们可以将其测量为向下或向上（0 或 1）。如果两个量子粒子纠缠在一起，其中一个被测量为具有上旋，我们无需测量就知道另一个纠缠粒子将具有下旋。如果我们影响第一个量子粒子的自旋，使其在被测量时变为向上，我们无需测量就知道另一个量子粒子将变为向下。
下图说明了两个纠缠量子比特之间的连接，它们具有相反的自旋。测量一个的自旋会告诉你另一个的自旋是相反的;在一个方向上改变一个量子比特的自旋将在相反方向上改变另一个量子比特的自旋。
纠缠的量子比特相互影响。
如前所述，纠缠是支撑量子计算能力的第二大支柱。对于纠缠量子比特，影响单个量子比特可能会对许多其他量子比特产生连锁反应。
纠缠和叠加协同工作
为了在量子计算机上编程和运行计算，必须通过保持纠缠量子比特的相干性和无噪声来保持它们的潜力。然后，我们测量量子比特（导致它们退相干）并记录结果，每个量子比特为0或1。
超越了C
其中一顶帽子来自爱因斯坦在1905年发表的相对论发现。相对论说，这个宇宙的速度取决于你相对于其他观察者的运动，但光速——大约每秒186,000英里，或每秒300,000公里——对于所有观察者来说总是相同的。这种通用速度限制称为局部性。
另一顶帽子来自爱因斯坦在1905年发现的光子。（这一发现，而不是相对论，是爱因斯坦唯一诺贝尔奖的来源。光子的发现是量子力学的基础。
爱因斯坦的问题在于，量子力学后来断言量子粒子（例如光子）可以相互纠缠，因此读取一个光子的自旋（例如）可以告诉你另一个光子的自旋。这种关系立即成为现实，而不考虑光速。物理学家称这是非局域性的断言，这应该是相对论所禁止的。
爱因斯坦讨厌这种行为，称其为“远距离的幽灵行动”。他和他的同事们花费了大量精力试图反驳它，尽管爱因斯坦继续取得突破性的量子发现，例如鉴定玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种可用于制造量子比特的超导气体。
当今的主流计算机受制于经典力学，并受到光速的限制。量子计算机依赖于量子力学，并且在使用纠缠时不受光速的限制。
2022 年诺贝尔物理学奖授予了证明纠缠是真实的物理学家。因此，在伽利略之后，依赖纠缠的量子计算研究人员可以说：“但它会计算。（伽利略因断言地球不在宇宙的中心而受到审判——事实证明是正确的，据说他低声说：“然而它会移动。
实现具有一致性的量子计算
在宇宙中穿梭的量子粒子——例如太阳发射的光子——处于相干状态。是什么导致它们退相干？与过度干扰（例如振动或强磁场）、固体物体或测量设备的任何相互作用。
保持量子比特的一致性是很困难的。热量使它们退相干，因此量子比特保持低温。振动（想想一辆卡车在路上经过）以及与环境的任何碰撞也是如此。为了防止这种碰撞，量子比特通常使用强磁场或有针对性的激光束来防止其内部的量子粒子与其物理容器碰撞。
退相干并不是唯一可能影响量子比特的灾难。温度变化、振动或物理相互作用可能会以不受控制的方式改变量子比特的值，而不会导致其退相干。这种噪声会导致量子计算结果出现错误。最小化噪声和检测错误是量子计算机面临的两大挑战。
为了操纵每个量子比特（例如，为量子计算对其进行编程），必须以调整其值而不导致其退相干的方式控制量子比特。磁场和激光束是用于在不引起退相干的情况下操纵量子比特的手段之一。
当我们测量量子比特的值时，会发生两件事：
- 量子比特退相干，成为经典力学规则的约束。
- 量子比特的值从 0 到 1（含 0 和 1）之间的某个位置折叠到 <> 或 <>。
一些人认为，量子计算机的潜力非常有限——量子计算机实现有用结果所需的相干水平在理论上和事实上都是不可能的。
在这个论点的极端版本中，量子计算的领导者被指控故意进行欺诈，这意味着整个领域都是一个巨大的阴谋。只有进一步的工作才能显示量子计算的局限性，如果有的话，但欺诈指控只是一个阴谋论。
量子计算力量的数学
由于经典计算中的位同时只能保存两个值（0 或 1）中的一个，因此经典计算机可以保存的状态数由位数 n 表示，其幂为 <>：n2.但是一组纠缠的量子比特可以同时保存量子比特的所有可能值。出于这个原因，量子计算机可以容纳的状态数由量子比特的幂 2 表示，n：<>n.例如，表示一百万个可能的状态需要 1,000 个比特，但只需要 20 个量子比特。
今天的计算机包含数十亿个比特，但我们必须将大量比特扔到最复杂的问题上才能到达任何地方。今天的量子计算机只有少量的量子比特——IBM最近发布的量子计算机有433个量子比特——但我们只需要几百个量子比特就可以开始解决非常复杂的问题。
当今量子计算机的能力受到错误和短相干时间的限制。但随着这些因素的解决，结果可能会令人惊叹。
量子计算将为人类做些什么？
要理解答案，我们首先必须解决一个常见的误解。今天的人们倾向于担心今天的计算机有多强大：担心互联网、社交媒体、机器学习和人工智能的力量。
但是，今天的计算机功能强大，还有一个大问题：它们根本无法应对应对气候变化的更好电池、更好的空气动力学、复杂交通网络中更好的路线以及更好的新药发现等领域的重大计算挑战，仅举几个重要例子。
而这些巨大的计算挑战正是我们期望量子计算能够产生重大影响的领域。未来的量子计算机将能够解决我们今天无法触及的问题，并且比今天的计算机更快、更便宜、更能耗。
量子计算机只能与我们今天使用的那种计算机合作“做自己的事情”。因此，当你看到量子计算可以做什么的描述时，要明白这些成就还需要大量的传统计算能力。