量子计算:人人都能懂的直观简洁解释

date: 2014-11-17 15:48:05

tags: Quantum computation Computer Science


据说,量子时代已经在量子计算机粉墨登场的轰鸣中降临。作为一位有责任感的老师,我有义务给所有人一份简洁、易懂的解释。愿此文为你的美好未来铺垫强有力的基础。我们尝试进行这样的一次“量子计算”。

1、你懂传统计算机吗?如果懂,请跳到第4点。如果不懂,请继续看第2点。

2、 你见过一份关于计算机高速运算无比牛逼赚钱无数的原理的简洁易懂的解释吗?如果有请阅读该文档,之后挑转到第1 。如果没有,请看第9。

3、你真的确定看过这样一份解释吗?Yes,请转至第1。No,请转至第2点(我允许你修改自己的答案:-D)。

4、Good,看来你懂得什么是传统计算机了,即使不懂也没关系,至少你知道传统计算机的原理是可以非常容易解释清楚了。因为你说自己懂,或者刚才回答了Yes才到了这里。Ok,你既然懂传统计算机,你为何要问量子计算机。答案如果是“我不懂啊! ”,恭喜你,你是一个好学的人,但是你没发现问题的本质。就好比任何一个人被问及为何需要Iphone6的时候,他们不会说,因为我不懂用Iphone6,也不好意思说因为我钱多,多半会说“因为Iphone有更牛逼的功能,它是我工作必须要用的日常工具,我真不是贪慕虚荣之徒,它真的能帮助我!” 如果你对量子计算的认识不像刚才这位朋友那么实事求是而且客观的话,请退出本次阅读 。

5、到处,我们有一个共同的结论:量子计算能干传统电子计算机所不能干的事情(或者干得更高效)。而且,传统计算机的原理是可以轻易地解释清楚的,而且你也已经理解了这种原理。但是,非常抱歉,传统计算机的解释方式不能用于解释量子计算机的原理,因为量子计算机比传统计算机更能干,它具有不可思议的能力且在干着不可思议的工作!因为这种能力的不可思议性,所以,结论:我们不存在一种针对量子计算机原理简洁易懂的解释。这不是Joke!一定是有一些超越了我们传统思维的理论、观点在支持着量子计算机的运转。也就是说,要理解量子计算,一定要接受新的理论,而不能停留在原有的理论框架之下。再次强调,这不是笑话!

6、 如果你坚持到这里,那么你一定懂得传统计算机是基于bit运算的设备,其高效性源自于电路的高集成度与高速。理解量子计算的第一步就是要知道量子计算机是基于量子比特(qubit)的设备。qubit与bit相比,bit不是0就是1,而qubit是两种量子态(|0> 和 |1>)的线性叠加:

qubit = a |0> + b |1> ,其中a和b是复数,|a|^2 + |b|^2 =1

你可以理解a、b是概率值,当你去度量qubit的时候,它以|a|^2概率呈现为|0>,以|b|^2概率呈现为|1>。 如果一个存储器是n bits,那么在一个特定的时刻,它存储的是n个0/1的串,但如果是量子存储,那么n 个qubits却存储了2^n 个值。当你度量这个n qubits的存储,它们以某一概率呈现特定的0和1 。并且,对量子进行度量之后,这个量子就不再是原来的样子,你可以理解为,它们被遗失了。目前为止,你当然会非常愤怒于这样一种寄存器,只要你观察它,它就得到某个值但是又会消失(你不观察它,它就以这个概率是这个值,那个概率是那个值)。

7、如果你坚持到了这里,也许你必须知道一点关于传统计算机的计算模型,比如:图灵机。量子计算的高效在于其具有的量子平行计算能力。在传统图灵机中,从原始状态出发,我们沿着某一个路径进行计算(或者以某种概率选择一条路径),最终得到答案。在量子计算中,我们可以暂时理解为,所有可能的路径会同时并行地发生。你只需要把一堆量子放到一个密闭的容器中让它们计算,它们并行跑完了所有的路径。然后你去观察它们,以某个概率得到某个数值,那就是你需要的答案。再次注意 ,量子的不可观察性!所以,你要度量量子值必须具有不平凡的操作。如果你愿意,你可以把量子测度理解为一个复数矩阵,量子比特是一个向量。

8、传统计算机可以模拟出量子计算机的能力吗?答案:否!(但是这斩钉截铁的否其实是非常非常犹豫地回答出来的,也许,可能,谁知道呢?)因此,我们需要量子电路。什么是传统电路?与非门、非门、与门、或门 、异或、加法……在量子计算机我们有这样的东西吗?有!(同样,这个有是说,部分有,或者有非常类似的对应物)没有!(在量子计算机中我们允许多个答案,以一定的概率出现)因为,量子电路有一个非常特殊的要求,必须可逆!如果把所有的电路操作理解为一个矩阵,那么这个矩阵一定是可逆矩阵。当然,这个矩阵的要求比可逆要多。其实是一个unitary矩阵,即一个矩阵A与其自身的共轭转置矩阵相乘得到单位矩阵I。

9、天下哪有那么有用的知识是那么简单易懂的呢? 洗洗睡了吧~