22、量子计算与Qiskit编程入门

量子计算与Qiskit编程入门

1. 量子计算的内存需求

在量子计算中，对于一个包含 $n$ 个量子比特的量子电路，会有 $2^n$ 个量子态。存储这些理想状态的向量将有 $2^n$ 个元素，因此在内存中存储这些 $2^n$ 个状态所需的字节数为：
[
\text{存储 $n$ 个量子比特电路所需字节数} = 2^n \text{ 个量子态} \times 24 \text{ 字节/量子态} = 2^{n + 4} \text{ 字节}
]

以Google的53量子比特电路为例，经典计算机要重现该量子电路的计算，需要的内存量约为：
[
2^{53 + 4} \approx 1.44 \times 10^{17} \text{ 字节} \approx 144 \text{ PB}
]
这仅仅是存储理想状态所需的内存，还未考虑存储门矩阵所需的内存。尽管门矩阵是稀疏的（非零元素较少），但由于维度较大，其所需内存也会迅速增加。

相比之下，美国能源部橡树岭国家实验室的Summit超级计算机（世界上最快的计算机之一）大约能容纳250 PB的内存。这意味着一个仅53量子比特的小型量子计算机就能与当今运行的最快超级计算机相媲美。而一个稍大一些（例如少于100个量子比特）的量子电路，经典计算机就无法处理了。

2. Qiskit简介

2.1 为什么选择Qiskit

虽然我们可以使用QASM语言在IBM量子计算机上对量子电路进行编程，但主要的编程方式是从门面板中拖放门到编辑器中，这种拖放过程会使电路以QASM语言进行编程。然而，QASM是一种低级汇编语言，无法与其他