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量子计算与量子信息之量子计算概述

hhh江月  hhh江月  2023-01-23  568

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量子计算与量子信息之量子计算概述

（这个是连载的哦，期待大家的持续关注啦…）

一、引言

当今，量子技术十分的火热，譬如说：量子通信、量子计算、量子隐形传态等等。

我国的量子计算机也取得了一些举世瞩目的成就，那就是九章量子计算机。

但是，实际上，我国并没有一门专门的课程来学习量子计算等问题，国外虽然有一些书籍和教学视频，但又往往不符合国人的胃口，这就造成了不少国内的学者想要学习量子计算，但是苦于没有途径的局面。

基于这样的现状，本人在这里，利用Quantum Computation And Quantum Information （量子计算与量子信息）这本业界中的神书来进行量子计算以及量子信息的内容讲解与介绍，旨在帮助读者学习量子计算的相关内容。

在讲解的同时，我们还会在某些时候利用如下的网站进行仿真实验：

https://algassert.com/quirk

这个平台来进行量子计算模拟的实验是挺不错的，这个平台总体来讲还是非常不错的，可以实时的更新url来实现电路与网址之间的对应，而且可以实时显示变化的装态，挺好的啦。

后续使用的时候，我们会进一步详细介绍这个平台的啦。

然后，有机会的话，我还会在适当的时候给出一些有意思或者非常有价值的一些习题，以这种方法来帮助大家更好的理解和领悟量子计算的本质内容了啦。

二、初步感知

有人可能觉得量子计算非常高大上，只有物理非常好的人才可以从事这样的研究，其实并非如此的，量子计算不需要让你去求解薛定谔方程那样的复杂的数学问题，而是主要专注于逻辑方面的内容，很多物理上面的问题都是已经得到的现成的结论，我们直接拿去使用就可以了。

下面给出一些量子计算中常常用到的东西：

那些量子门是不是很像我们最喜欢的数字电路里面的一些逻辑门？

那些量子门的矩阵形式的表述是不是就是我们也非常喜欢而且熟悉的线性代数里面的矩阵呢？

实际上，

我们通过借助以前我们学习过的那些知识，并对大写知识加以利用和延拓，确实是非常有助于我们对量子计算进行学习的啦。

三、引言与概述

量子计算以及量子信息的研究对象主要就是用量子力学系统能够完成的信息处理的任务。

我们在量子计算之中，将会把主要的着重，放在于利用量子态的叠加性进行高速的运算等操作，虽然目前已经有了很大的进展，大距离我们的大规模量子计算机还有很大的差距，因此，我们还是需要更加努力的工作的，也希望有更多的人可以投入到量子计算的研究上去。

四、量子比特

1、量子比特的概念

比特是经典计算机中非常基础的一个概念，是计算机处理问题的基础，计算机把各种问题转换为二进制的形式，然后进行运算等等。

在量子计算中也有类似的概念，即就是量子比特，我们这里，将量子比特，描述为一个具有特定数学属性的数学对象。

这里，你可能会好奇，为什么不描述为一个物理对象？
这是因为，诚然，量子比特确实是一个物理对象，而且也是由物理系统来实现的，但是我们知道，一个物理对象往往是通过数学形式进行表述的，而且，在量子计算之中，量子比特的处理方法就是通过数学上的运算进行实现的，即就是说，我们主要是将量子比特当做一个数学对象进行处理的额，比如：量子比特与线性代数中的矩阵进行相互作用得到最终输出的结果。我们这样操作相当于是以数学的方式来进行研究量子计算，这也是十分合理的。从而，我们建立了一个不依赖于任何实际的物理系统的量子计算以及量子信息的模型，处理起来会比较的方便了。

那么究竟什么是量子比特呢？
经典比特有0和1两个状态，同样的量子比特也有 ∣0⟩ 和 ∣1 ⟩两个基本的状态，而量子比特与经典比特最大的区别就是在于，量子比特是一个叠加的状态∣ψ⟩ =α∣0⟩ +β∣1⟩ ，也就是说，量子比特是两个基本的状态的一个线性组合，称为叠加态。相当于是说，量子比特是二位的一个矢量，而那两个基本的状态就是二维空间里面的基底了。一般而言，量子比特的状态是二维空间中的一个复向量。尽管这么奇特，但是量子比特确实是存在的，大量的实验已经证明了这一点。