2、量子计算：从概念到挑战的深度探索

量子计算：从概念到挑战的深度探索

1. 量子计算的起源与发展

量子计算（QC）的概念可追溯到20世纪80年代，由诺贝尔奖得主理查德·费曼提出。他认为物理定律并不阻碍量子计算机的发展。此后几十年，量子逻辑门、算法以及潜在的量子计算实现基底都取得了显著进展。然而，目前实现大规模通用量子计算的主要障碍仍然是退相干问题。

2. 比特与量子比特

经典图灵比特是数字数据的最小单位，只能处于0和1两个离散状态。而量子比特（qubit）则可以处于纠缠叠加态，即同时处于0和1状态。一个由n个二进制比特组成的经典寄存器只能存储2^n个可能数字中的一个，而相应的量子寄存器可以同时存储所有2^n个数字。理论上，一个30量子比特的量子计算机的计算能力相当于每秒能执行10^13次浮点运算的数字计算机，与目前最快的超级计算机相当。

量子比特可以用狄拉克的“bra-ket符号”表示为 ( \alpha|0\rangle + \beta|1\rangle )，其中 ( \alpha ) 和 ( \beta ) 是满足 ( |\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1 ) 的复数。测量时，量子比特处于 ( |0\rangle ) 状态的概率为 ( |\alpha|^2 )，处于 ( |1\rangle ) 状态的概率为 ( |\beta|^2 )。量子比特可以用二维复向量空间 ( \mathbb{C}^2 ) 表示，也可以用布洛赫球表示。

实现实用的大规模量子计算需要满足以下几个主要要求：
- 物理可扩展性，能够增加量子比特的数量以实现大规模计算。
- 量子比特能够初始化为任意值。
- 量子门的操作速度要快于退相干时间。
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