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前沿颠覆性技术:量子计算

已有 700 次阅读 2020-10-22 13:55 |系统分类:科研笔记

什么是量子计算?


量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。在理解量子计算的概念时,通常将它和经典计算相比较。如下图所示,经典计算使用二进制的数字电子方式进行运算,而二进制总是处于 0 或 1 的确定状态。量子计算和现有的计算模式完全不同,它借助量子力学的叠加特性,能够实现计算状态的叠加,它不仅包含 0 和 1 ,还包含 0 和 1 同时存在的叠加态(superposition) 。

 

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图 经典计算与量子计算的区别


普通计算机中的 2 位寄存器在某一时间仅能存储 4 个二进制数 (00 、 01 、 10 、 11)中的一个,而量子计算机中的 2 位量子比特 (quantum bit,简记为 qubit) 寄存器可同时存储这四种状态的叠加状态。随着量子比特数目的递增,对于 n 个量子比特而言,量子信息可以处于 2 种可能状态的叠加,配合量子力学演化的并行性,可以展现比传统计算机更快的处理速度;加上量子纠缠(entanglement) 等特性,理论上,量子计算机相较于当前使用最强算法的经典计算机,在一些具体问题上,有更快的处理速度和更强的处理能力。


为什么我们需要量子计算?


根据摩尔定律,集成电路上可容纳的晶体管数目每隔 18 ~ 24 个月增加一倍,性能也相应增加一倍。例如,当前智能手机的 CPU 芯片,业内已经能够达到 5nm的工艺节点,但是随着芯片元件集成度的不断提高,芯片内部单位体积内散热也相应增加,再由于现有材料散热速度优先,就会因“ 热耗效应 ” 产生计算上限;另外,元器件尺寸的不断缩小,在纳米甚至更小尺度下经典计算世界的物理规律将不再适用,产生“ 尺寸效应 ” 。受到来自这两个方面的阻碍,再加之信息化社会的计算数据每日都在海量剧增,人类必须另觅他途,寻找新的计算方式,而量子计算可能是一个答案。

 

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图 寻找新的计算方式


量子计算的基本思想是利用量子力学的规则和思想来处理问题和信息,遵循这样的思维导向可以轻易了解到量子计算的优势所在。在传统的计算机中,每当输入对应数量的信息,计算机即会相应地输出对应的数据;而如今将量子力学应用在计算机硬件设备中并且输入信息,就不仅是有序提供一些输入和读出数据那么简单,利用量子叠加态定律可实现一键式处理多个输入的强并行性;与传统的程序相比,这是一个指数级的加速和飞跃。除了理论意义上的计算速度的增长,量子计算还具有在不同领域发挥作用的现实可能性。


《量子计算与编程入门》对于量子计算的背景知识、量子计算基础、量子计算机硬件基础、量子算法与编程、量子计算前沿话题等都进行了清晰介绍。


第1章背景知识,主要介绍了量子计算的发展现状以及量子力学的发展历史,通过了解量子计算的基本概念和量子计算软件,对量子计算入门起到导引作用

第2章量子计算基础,从量子系统、观测量和计算基下的测量、复合系统与联合测量等量子计算基础理论的讲解,逐步带你进入量子计算世界。本章还介绍了量子逻辑门、量子线路、量子计算的if和while等内容。

第3章量子计算机硬件基础,主要解析本源量子基于量子计算研发的各种硬件产品。学完本章你将了解量子计算信号传输的重要性、量子计算控制系统的不可或缺性及量子计算芯片的基本情况
 
图 不同公司的超导电子芯片

第4章量子算法与编程,深入介绍了量子算法的基础知识及运用。内容涵盖量子算法简介、量子–经典混合算法、几种主流的量子算法及本源自主研发的量子语言QRunes和量子编程软件QPanda2。
 

第5章量子计算前沿话题,包括利用QPanda测试量子系统噪声、量子机器学习与量子神经网络、使用单振幅和部分振幅量子虚拟机、将量子程序编译到不同的量子芯片上等行业前沿知识

在附录中,著者收录了学习量子计算所需的基础数学内容和本源量子编程工具的安装与配置方法,期望为读者们学习量子计算与编程提供更多参考。
 
尽管量子计算时代何时真正开始,还存在着所谓类似叠加的不确定性,但必须承认,量子计算技术产生的成果正越来越多地应用到我们的生活之中。
 

现在,呈现在读者面前的是一本关于量子计算与编程的专业教材,您可以从量子计算发展的源头重新认识这一令世界各国都在“倾力一搏”的科技,同时您也能通过书中对于量子计算机结构及量子计算编程技术的详细阐释来了解当前量子计算的发展现状和未来趋向。

本源量子成立于2017年9月11日,是国内第一家从事量子计算行业的初创型公司,总部位于合肥高新区,在合肥经开区和深圳设有分支机构。本源量子作为从中国科学院量子信息重点实验室孵化出来的企业,在量子计算技术的研究方面起步较早,其创始人郭国平教授在实用化量子计算领域取得了多个重要成果,入选国家杰出青年基金获得者、国家“万人计划”领军人才、长江教授青年学者。从高校教师到带领博士研究团队创立企业,这一系列改变的背后,承载着一位科技工作者对于量子计算技术未来的深刻洞察与坚定信心。


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陈国良院士为本书作序


当传统计算模式趋近瓶颈时,下一代计算模式的重大变革也即将到来。“在不久的将来,量子计算可以改变世界” 已经成为了共识。


在加拿大量子计算公司 D-Wave 的一份官方资料中,公司 CTO 乔迪 · 罗斯(Geordie Rose) 认为量子计算可以撬动制药、化工、生物科技 3 个总价值 3.1 万亿美元的市场。


一些大公司和政府已经开始将量子计算研究视为一场竞赛。谷歌、IBM、英特尔和微软都在持续扩大他们的量子计算研究团队,国内阿里巴巴、百度、本源量子等一批企业也在飞速成长中。


合肥本源量子计算科技有限责任公司 (以下简称本源量子) 作为从中国科学院量子信息重点实验室孵化出来的企业,是国内量子计算技术领域的先行者。


创始人郭国平教授在实用化量子计算领域取得了多个重要成果,所带领的研究团队人才济济,研究方向覆盖固态量子芯片研究、量子测控仪器仪表研制、量子语言和量子算法。


这本《量子计算与编程入门》教材正是由这支具有深厚技术背景的研究团队精心编写。


作者们从量子计算发展的源头,详细介绍了这一令世界各国都在 “倾力一搏”的科技,同时也通过书中对于量子计算机结构及量子计算编程技术的详细阐释,描绘出当前量子计算的发展现状和未来图景。


最让我感到惊喜的是,这本书中量子计算前沿话题部分,深入浅出地介绍了利用 QPanda 测试量子系统噪声、量子机器学习与量子神经网络、使用单振幅和部分振幅量子虚拟机、将量子程序编译到不同的量子芯片上四种有趣的研究话题。


量子计算研究发轫几十年来,国内出版了一些量子计算相关的书籍,随着时间的推移和前沿技术的发展,这些书籍的内容也亟待调整和更新。


本源量子最新推出的这本《量子计算与编程入门》,从学科知识架构、基础理论讲解、编程实例引用、前沿话题介绍等方面都为后续的教材编写做了很好的示范。



陈国良

中国科学院院士 南京邮电大学教授

2019年8月



本文摘编自《量子计算与编程入门》一书文前及后记部分,内容有删减,标题为编者所加。


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量子计算与编程入门

郭国平,陈昭昀,郭光灿 著

ISBN 978-7-03-064990-4

责任编辑: 周 涵


《量子计算与编程入门》是关于量子计算与编程入门的专业书籍,书中详细介绍了量子计算的背景知识、基础概念、实现的硬件基础和一些重要量子算法的编程。全书共5章,主要内容包括:背景知识、量子计算基础、量子计算机硬件基础、量子算法与编程、量子计算前沿话题,书末附有量子计算数学基础、量子编程工具的安装与配置、量子化学工具的安装与使用。本书可作为量子计算与编程的入门书籍,供量子计算爱好者学习和了解未来科技发展方向;亦可作为量子计算入门课程的教程或参考书,供研究生、教师和科研人员阅读参考。 


本期编辑丨王芳


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