20、量子计算：原理、起源、算法与发展

量子计算：原理、起源、算法与发展

1. 量子计算与经典计算的对比

量子计算是一种从根本上独特的信息处理和问题求解方式。与经典计算机在任何给定时刻只能处于一种状态不同，量子计算机能够同时处于极大量的状态。许多科学家认为，由于其工作方式的不同，量子计算机可以实现指数级的加速，并解决经典计算机难以解决的问题。

经典计算机开启了当前的信息时代，带来了个人计算、互联网通信、智能手机、机器学习等革命性的数字进步。经典计算机以比特为单位编码和处理数据，传统的通用计算机使用数十亿个被称为晶体管的半导体部件来切换或放大电信号。一个经典比特就像电子设备上的电源开关，在任何给定时间只能处于 0 或 1 两种状态之一，这就是为什么经典信息处理被称为二进制。

2. 量子计算的工作原理

2.1 量子比特与叠加态

量子计算机通过利用亚原子粒子（如电子、离子或光子）的行为来处理信息，并将信息存储在量子寄存器中，而量子寄存器由量子比特（qubit）组成。量子比特受叠加、纠缠和干涉等物理特性的限制。

叠加是亚原子世界的一种非直观特性，它允许量子比特在进行外部测量之前处于多种状态。例如，电子的状态可能是“自旋向上”和“自旋向下”特性的叠加。常见的比喻是薛定谔的猫，在观察者打开盒子之前，猫既死又活。处于叠加态的量子比特可能处于 0 态或 1 态，也可能指向其他任何方向，这在量子意义上可以被视为 0 和 1 的某种复杂线性组合。当对量子比特进行测量时，中间的“隐藏”信息会崩溃，新的状态将是二进制的，取决于量子态更接近 0 还是 1；如果其振幅正好在中间，则解析为两种状态的概率相等。测量后，量子比特就变成了经典比特。

2.2 纠缠 <