7、量子计算基础算法：Qiskit 实现指南

量子计算基础算法：Qiskit 实现指南

1. 量子计算简介

量子计算并非全新概念。在一次 TEDx 演讲中，硅量子计算私人有限公司的创始董事 Michelle Simmons 博士指出，量子计算机将改变计算方式。她展示了量子计算机在加强加密和革新安全方面的强大能力，并表示构建量子计算机的竞赛即将激烈展开，因为它能在数分钟内解决经典计算机难以应对的问题。

目前，IBM、微软和谷歌等科技巨头已在量子计算领域领先。IBM 推出了开源工具 Qiskit，可借助 Python 框架进行量子计算；微软的 Quantum Katas 则使用 Q# 语言支持量子计算的发展。以将 3 块蛋糕分给 2 个孩子为例，普通计算机一次只能给出 8 种分配方案中的一种（如 010），而量子计算机能同时给出所有 8 种方案。

1.1 量子计算基础

经典计算机基于比特（bits）运行，而量子计算机则依赖量子比特（qubits）。经典比特只有 0 和 1 两种状态，量子比特除了这两种状态外，还能处于它们的线性组合状态，即叠加态。

一个量子比特的可能量子态可以用一个二维列向量表示，向量元素为实数或复数，且向量的模为 1。例如，(\begin{pmatrix}\alpha\\beta\end{pmatrix}) 定义了一个单量子比特态，其中 (\alpha) 和 (\beta) 是满足 (|\alpha|^2 + |\beta|^2 = 1) 的复数。常见的量子态向量有 (\begin{pmatrix}0\1\end{pmatrix})、(\begin{pmatrix}1\0\end{pmatrix})、(\begin{pmatrix}0.707\0.707\end{pm