10、量子计算电路设计深度解析

量子计算电路设计深度解析

1. 量子计算概述

量子计算是一项极具潜力的新兴技术，有望变革计算的应用与前景。传统计算机基于二进制逻辑，而量子计算机则利用量子力学原理，通过量子纠缠同时评估多种概率。在逻辑计算中，信息丢失会产生热量，而量子计算在理论上可避免这种能量损失，其内部计算无需消耗功率。

量子比特（qubit）是量子计算机的基本信息单位，与经典比特只能处于 0 或 1 状态不同，量子比特可以是 0 和 1 的线性组合，即处于叠加态。这种特性使得量子计算机在处理某些任务时具有显著优势，例如破解基于数论问题的加密协议、进行虚拟实验和大数据搜索等。

2. 量子逻辑基础

• 量子比特 ：量子比特通常源自两能级量子系统，如原子的基态和激发态，或单光子的垂直和水平偏振态。它可以同时持有 0 和 1 两种状态，这是经典比特所不具备的特性。
• 量子门 ：量子门是作用于少量量子比特的基本量子电路。常见的量子门包括 NOT、CNOT、controlled - V 和 controlled - V + 等。这些量子门具有独特的幺正矩阵，保证了量子态的演化是可逆的。
  • 量子 Feynman 门 ：是一个 2×2 的量子门，实现逻辑函数 P = A 和 Q = A⊕B，可用于复制比特。
  • 量子 Tofolli 门 ：3×3 的门，输入向量为 A、B、C，输出向量为 P = A、Q = B 和 R = AB⊕C，可实现“AND”操作。