程序猿遇上量子计算 - 0到1入门量子计算

何为量子

量子是什么?是个科学问题,也是个玄学问题。在当今信息发达的时代,很多人对于量子的概念,会是“遇事不决,量子力学”的玩梗一笑了之,或是微观尺度物理学的科学概念,或是量子计算写入二十大的国家发展战略。众说纷纭,不一而论。

开宗明义,量子是个物理学的概念,意思是最小化、不可再分的基本单位,最小单位即是量子;不可再分的概念称之为量子化。可以用于描述微观物理世界中的粒子特性,例如原子,电子。“量子”来自于拉丁语quantum,意译是“一定数量的物质”,由德国物理学家普朗克于1900年提出,用于解释黑体辐射的实验现象。

不可再分的物理量-量子,主要体现在微观世界中,描述其运动性质及运行理论的学科称之为量子力学。与人们日常直观感受到的、以牛顿力学为基础构建的宏观、低速的经典力学不同,量子力学有着奇妙之处。叠加、纠缠、测量,是量子力学的三大核心概念。


quantum


从提出“量子概念”到发展成量子力学的系统学科,先哲在20世纪苦苦探索,普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、玻恩等大科学家均做出杰出贡献,物理学的大夏缓缓构建,真是人类群星闪耀时啊!进入21世纪,量子力学与计算科学孕育出来的新产物-量子计算,悄然来临。

量子计算是新型计算范式,使用量子力学的规律调控量子信息单元进行计算。简言之,操纵量子比特用于计算机。当前,人们使用手机、电脑、其他媒介刷到本文章,其软件底层都是0和1数据流,对应的硬件控制就是高低电平;而量子计算操控的是量子比特,具备量子态特性的微观粒子。由于量子特性-叠加态的存在,量子比特qubits会是50%概率是0,50%概率是1,其存储信息、计算数据相对于经典计算机会是指数级别的提升。


量子计算机



量子计算广泛应用

量子计算的应用相当广泛,在密码解析、交通运输问题(组合优化数学问题),材料化工、生物医学(化学分子能量模拟计算),人工智能(量子-机器学习),新型半导体(量子芯片)等领域有着广泛应用。

具体而言,华为构建中国领先的高性能量子计算框架MindQuantum,代码开源,同步提供云服务,开放给公众抢先体验量子计算。本源量子与中国移动达成合作,在电信通讯行业落地量子算法解决方案。中国科学技术大学 潘建伟院士等人成功构建76个光子的量子计算原型机-“九章”。

世界视野,日本-“富士通”全球首创新量子计算架构,纠错比特成本巨减。谷歌实现量子纠错突破,150 多位作者成果登 Nature,量子霸权的第二里程碑。NASA与微软量子项目组达成合作,使用量子计算算法解决航天深空调度问题。


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量子计算世界布局

量子计算已经成为全球主要国家和地区争夺的科技顶峰,下一轮的技术革命正悄然展开。

欧洲斥资3000亿推出芯片法案,支持开发量子芯片等系列面向未来的半导体产业。美国率先研发出全球首台量子计算机,第一个实现量子霸权里程碑,在量子计算、量子测量、量子通信方面全球领先。中国把量子信息作为“关键技术”写入《十四五数字经济发展规划》,瞄准量子信息、网络通信、集成电路等战略前瞻性领域,发挥制度优势,提高数字技术基础研发能力。



文献索引

[1] 《人人可懂的量子计算》

[2] 华为量子计算官网

[3]量子信息技术发展与应用研究报告

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