Lansonli（蓝深李）的博客

最简单的想法，当然是把所有可能的路线一次一次的计算，根据路况计算每条路线所消耗的时间，最终可以得到用时最短的路线，即为最决路线，这样依次的将每一种路线计算出来，最终对比得到最短路线。首先，先化简一下搜索模型，将所有数据存在数据库中，假设有n个量子比特，用来记录数据库中的每一个数据的索引，一共可以表示2个数据，记为N个；其中x0为搜索目标的索引值，也即是说，当搜索到目标时，函数值fx）值为1，如果搜索的结果不是目标时，f(x)值为0。如上述所知，Oracle的作用，是通过改变了解的相位，标记了搜索问题的解。

如下图所示，在经典算法中，给定了输入之后，第一步是需要判断f(0)，F(x)有两种情况，f(0)=0或者f(0)=1；当确定f(0)之后，再判断f(1)，确定了f(1)的值之后，就可以确定该函数的类型；下面考虑一下最简单的情况：当n=1的时候，常数函数的类型是这样的：f(0)，f(1)都指向0；或者f(0)，f(1)都指向1，而平衡函数则是各占一半。D-J算法是这样描述的：给定两个不同类型的函数，通过计算，判断该函数是属于哪一类型的函数，其可用来演示说明量子计算如何在计算能力上远超经典计算。

因此，这个领域成为了量子计算研究的热门。绝大多数量子经典混合算法中都会存在一个类似于机器学习中的参数优化过程，其中，量子计算机处理一个包含多个参数的量子线路，并且对这些参数进行随机的初始化，量子计算机执行的结果会进一步被计算成一个损失函数，这个损失函数被输入到经典计算机的优化器中，从而修改这些参数，之后再通过量子计算机进行计算，如此循环，直到达到优化终止条件。虽然所有经典算法都可以在量子计算机上实现，但量子算法这个术语通常用于那些看起来是量子的算法，或者使用量子计算的一些基本特性，如量子叠加或量子纠缠。

目前，本源量子计算系统包括了三种构造控制指令的方法，如下图所示，分别为可视化线路的设计、量子语言和量子软件开发套件QPanda，其中可视化编程和量子语言衣托在量子云平台上，用户在进行量子程序设计的时候可以相互转化：对于功能完整的QPanda，则使用c++为宿主语言开发的SDK，用户可以使用c++直接开发量子程序。从上述两例可以知道，用户只需要关注量子程序的构建，其他的部分，如量子虚拟机的构建、申请量子比特、执行量子程序和获取结果，都是一个固定的流程，只需要调用函数接口即可。

相同数量的量子比特对于不同的量子芯片结构，可执行两量子比特逻辑门的量子比持对可能完全不同。如果量子高级语言描述的量子程序中包含量子芯片不可直接执行的两量子比特逻辑门，量子程序编译器会根据量子芯片的连通性，利用交换门和可执行的两比特门的序列，取代量子程序中的两量子比特逻辑门。量子芯片提供的可直接执行的逻辑门是完备的，即可以表征所有的量子比特逻辑门，因此，如果量子高级语言描述的量子程序中包含了量子芯片不可直接执行的量子逻辑门，量子程序编译器会根据量子芯片提供的量子逻辑门将其转化为可执行量子逻辑门构成的序列。

由于量子芯片工作环境的特殊性，从量子计算机控制系统发出的控制信号，要从稀释制冷机接入，经过漫长的低温线路，最后到达量子芯片。电场辐射主要产生来源是稀释制冷机中更高温层的红外辐射，其频段和量子比特的能级相仿，因此会加速量子比特的弛豫过程，从而降低量子芯片的性能。下图是一个半导体量子芯片以及其探测器结构，该探测器为一个RF探测器，通过该探测器的指定频率的微波信号会随着半导体量子芯片中电子状态变化，进而能从RF探测器的信号中计算出量子比特的量子态变化。量子计算机的核心——量子芯片，具有多种不同的呈现形式。

不同于其他美国巨头公司，微软公司在量子计算方面押注在拓扑量子计算，认为现在量子比特的噪声仍然太大，发明一种保真度更高的量子比特将有助于量子比特的高质量扩展，进而更容易实现量子计算。最近在量子反常霍尔绝缘体-超导结构中发现的一维马约拉纳模式也被认为可以用于拓扑量子计算，但是基于马约拉纳费米子进行的拓扑量子计算仍然不能满足单比特任意的旋转，它仍然需要和其他形式的量子比特互补或者通过某种方法进行近似的量子操作，不过，对高质量量子比特的追求仍然推动着科学家研究拓扑量子比特。国内的离子附量子计算也于近几年发展起来。

当电子处于左边量子点时，它处于量子比特的激发态，代表1。相比超导量子计算微米级别的比特大小，量子点量子比特所占的空间是纳米级别，类似于大规模集成电路一样，更有希望实现大规模的量子芯片。在国内，中国科学技术大学的郭国平研究组在传统的GaAs基量子比特方面积累了成熟的技术，实现了多达3个电荷量子比特的操控和读出，并基于电荷量子比特制备了品质因子更高的杂化量子比特，同时，该组从2016年开启了硅基量子比特计划，计划五年内制备出硅基高保真度的两比特量子逻辑门，实现对国际水平的追赶，并为进一步的超越做准备。

超导量子计算的研究始于2000年前后，后来在美国耶鲁大学Schoelkopf和Devoret研究组的推动下，将超导比特和微波腔进行耦合，实现了量子比特高保真度的读出和纠缠，加速了超导量子比特的研究。在国内，2017年，中国科学技术大学潘建伟研究组实现了多达10个超导比特的纠缠，2018年年初，中科院和阿里云联合发布了11位量子比特芯片，保真度和Google的芯片不相上下，表明了我国在超导量子计算方面也不甘落后，并迎头赶上，同时，合肥本源量子公司也正在开发6比特高保真度量子芯片，如下图（d）所示。

即使介绍了函数调用的思想，也可以理解为这是一种简单地内联展开，即把函数中的所有逻辑门插入到调用处，自然地，可能会考虑在量子计算机的层面是否存在类似于经典计算机中的循环和分支语句。作为QIF和QWHILE的判断条件的对象，并不是量子比特，而是一个经典的信息，往往，这个经典的信息是基于测量的。在量子程序执行时，测量语句会对量子比特施加一个测量操作，之后将这个比特的测量结果保存到经典寄存器中，最后，可以根据这个经典寄存器的值，选择接下来要进行的操作。另外，QIf和QWhile是可以相互嵌套的，形成多层的控制流。

在该量子线路中，初始态q[1]、q[0]代表量子比特的初始态均为|0〉，因此该系统的复合量子态为|00〉，这里复合量子态|00〉的从左到右依次对应高位比特到低位比特。在真实的量子计算机上，最后要对量子系统末态进行测量操作，才能得到末态的信息，因此也把测量操作作为量子线路的一部分，测量操作有时也称为测量门。由于在真实的量子计算机上面，测量会对量子态有影响，所以只能够通过新制备初始量子态，让它重新演化，再进行测量，从而得到末量子态在计算基下的频率，用频率来近似概率，并且每次测量只能够用测量操作。

文章目录常见逻辑门以及含义一、Hadamard（H）门二、Pauli-X 门三、Pauli-Y 门四、Pauli-Z 门五、旋转门（rotation operators）1、RX（θ）门2、RY（θ）门3、RZ（θ）门六、多量子比特逻辑门七、CNOT 门八、CR 门九、iSWAP 门Hadamard门是一种可将基态变为叠加态的量子逻辑门，有时简称为H门。Hadamard门作用在单比特上，它将基态|0〉变成，将基态|1〉变成。Hadamard门矩阵形式为其在线路上显示如下图所示：假设，H门作用在任意量子态|ψ

经典计算中，最基本的单元是比特，而最基本的控制模式是逻辑门，可以通过逻辑门的组合来达到控制电路的目的。类似地，处理量子比特的方式就是量子逻辑门，使用量子逻辑门，有意识的使量子态发生演化，所以量子逻辑门是构成量子算法的基础。

例如，现在有两个2维的希尔伯特空间H1和H2，并且都有一组标准正交基{ |0〉, |1〉}，那么H的标准正交基为{ |00〉, |01〉, |10〉, |11〉}。例如，复合系统H由两能级系统H1和H2复合而成，在t1时刻，两个系统的状态都为|0〉，则复合系统的状态为|00〉；假设：复合系统中量子态的演化是由张成复合系统的子系统中量子态的演化对应的酉变换做张量生成的变换来描述，即是说，如果有被1到n标记的系统，第i个系统在t1时刻的状态为。如果 |i〉和 |j〉分别为H1和H2的标准正交基，那么 |i〉

量子理论中的可观测量与经典力学中的动力学量，如位置、动量和角动量等对应，而系统的其他特征，如质量或电荷，并不在可观测量的类别之中，它是作为参数被引入到系统的哈密顿量（Hamiltonian）。都是复数（complex number），两维复向量空间的一组标准正交基（orthonormal basis）|0>和|1>组成一组计算基（computational basis）。在量子力学中测量（measure）会导坍塌，即是说测量会影响到原来的量子状态，因此量子状态的全部信息不可能通过一次测量得到。

对于一个非物理专业的人而言，量子力学概念晦涩难懂。鉴于此，本文仅介绍量子力学的一些基础概念加之部分数学的相关知识，甚至不涉及薛定谔方程，就足够开始量子计算机的应用。这如同不需去了解CPU的工作原理以及经典计算机的组成原理，但仍能在日常生活中使用经典计算机或者编写经典程序一样。在接下系列文章里，彻底抛却数学公式，纯粹去介绍宽泛的概念，目的仅仅想让读者都能了解这个问题——量子究竟是什么。如果不想被量子的诡异事实所颠覆，并且对于线性代数很有把握的话，那么可以直接过渡到后面的系列文章进行学习。

由于当前量子计算机的通用体系架构未得到统一，在硬件层面上的技术路线也未最终确定，所以目前还无法确定哪种量子机器指令集相对更科学、更合理。现阶段在量子计算编程领域的研究者们大多从量子线路图“量子计算汇编语言“量子计算高级编程语言的方式入手，不断寻找未来可能最受量子计算机发展欢迎的编程语言。自20世纪80年代以来，专业从事物理和计算复杂性研究的学者提出了诸多量子算法，他们多数不具备计算机编程思维，使用图形化的方式表示量子程序、量子算法，在某种程度上来说，曾是最简洁的量子编程语言。

由此可见，量子存储器的存储能力是呈指数增长的，它与经典存储器相比，具有更强大的存储数据的能力，尤其是当 n 很大时 ( 如 n=250 ) ，量子存储器能够存储的数据量比宇宙中所有原子的数目还要多。由此，基于量子 力学的新型计算机的研究被提上了科学发展的历程。，IBM 推出全球首个超过100量子比特的超导量子芯片——Eagle，该量子芯片拥有 127 个量子比特，采用了全新的芯片架构，基于 IBM 之前公布的六边形量子芯片，堆叠了多层芯片，但减少了之间的链接，链接越少，干扰就越少。

另一方面是酵定谱的波动力学，它所依据的则是人们所熟悉的微分方程这种数学工具，它类似于古典的流体力学，并且提供了一种容易形象化的表示，它是一种分析方法，从推广古典的运动定律着手，强调连续性，而且它的基本概念是波动。薛定谔受到控折后不久，放弃了相对论的考虑，重新用他原来的方法来处理氢原子的电子问题，结果同实验非常接近，受到这一结果的鼓舞，1926年他一连发表了6篇论文，从1月到6月的4篇都用一个题目：《作为本征值问题的量子化》。发表了一篇基础论文，为光子提出了不同的状态，他还提出光子的数量没有守恒的概念。

2017年9月11日，本源量子计作为国内首家以量子计算为主营业务的新势力公司，以量子芯片、量子测控、量子软件、量子云、量子计算机以及未来的量子人工智能等为核心业务，目前已研制出量子比特处理器玄微XWB2-100、量子测控一体机OriginQ Quantum AIO，并且上线了本源量子计算云平台、发布了完全自主的高级量子编程语言QRunes、量子编程软件开发工具QPanda等产品。与传统计算芯片一样，量子计算芯片在计算单元数量增加、密度增大的情况下，会产生一定的干扰。

根据摩尔定律，集成电路上可容纳的晶体管数目每隔约18-24个月增加一倍，性能也相应增加一倍。例如当前智能手机的CPU芯片，业内已经能够达到5nm的工艺节点，但是随着芯片元件集成度的不断提高，芯片内部单位体积内散热也相应增加，再由于现有材料散热速度优先，就会因“热耗效应”产生计算上限；另一方面，元器件尺寸的不断缩小，在纳米甚至更小尺度下经典计算世界的物理规律将不再适用，产生“尺寸效应。

当传统计算模式趋近瓶颈时，下一代计算模式的重大变革也即将来临。在不久的将来，量子计算可以改变世界已经成为了共识。一些大公司已经开始将量子计算研究视为一场竞赛。谷歌、IBM、英特尔和微软都在持续的扩大他们的量子计算研究团队，国内阿里、百度、本源量子等一批企业也在飞速成长中。要成为科技强国不是一代人的事，必须要有传承，这离不开量子信息人才的教育和培养。希望这个栏目能给大家科普关于量子计算的基础知识，能有更多的人才投入量子计算研究当中。量子就是能表示物质特性的物质最小单元的统称。