美国芝加哥大学量子计算物理课程辅导

量子计算的创始人戴维-多伊奇曾说过，如果你认为自己了解量子计算，那你就需要重新思考。这个世界上没有人真正了解量子世界到底发生了什么。但我们仍然试图对其进行估算。这就是量子计算的全部：概率。这篇文章维大家带来美国芝加哥大学量子计算物理课程辅导。

一、什么是量子计算机?

如果你想在 60 秒内得到一个包含所有热门词汇的答案，那么你现在就可以离开这篇文章。但如果你真的想了解什么是量子计算机，它是如何工作的，以及量子纠缠的量子比特是什么，你会发现这篇文章非常有用!

许多科技期刊都在炒作量子计算机，认为它将超越经典计算机，还鼓吹人类将在未来几年在手持设备中拥有类似超级计算机的能力。但事实是，量子计算机与经典计算机完全不同，量子计算机是专门为解决以往任何经典计算机都无法解决的耗时过长的数学问题而制造的。

目前的观念将量子计算的杰作归结为一个量子比特的字节容量。让我们来揭穿这种说法。就算量子比特的信息量是经典比特的十亿倍，谷歌的 53 量子比特芯片也只相当于 6.6 Gbytes 的经典存储空间。而你现在所持的智能手机的存储空间可能超过 64G。

量子比特的应用不仅仅是比传统比特存储更多的信息。的确，它可以同时存在于两种状态，因此可以存储比经典机器多 2 倍的信息。当我们谈论并行计算和解决人工智能问题时，量子计算机才真正大放异彩。

人工智能算法传统上在 GPU 上运行，因为它的架构可以模拟多个场景，并行计算概率，帮助算法从不同的场景和概率中学习。与 GPU 一样，量子计算机在运行并行模拟方面也具有超高的效率，可大幅减少算法的迭代次数，从而达到理想的结果。从这个角度来看，现代 GPU 在 10,000 年内执行的并行操作次数，量子计算机只需约 200 秒就能模拟完成。

经典图形处理器和中央处理器的并行计算能力可以线性扩展，而算法产生的数据却可能呈指数级增长!量子计算机利用量子纠缠和叠加等概念来并行制造多个计算，当算法产生的数据呈指数增长时，量子比特可以保持的量子态也呈指数增长，因为一个量子比特可以同时为零和一。

二、什么是 Qubits?

传统机器通过二进制位来存储和处理信息，二进制位可以是 0，也可以是 1。这些值组合在一起可以表示字符、整数或其他数据类型。

被称为量子比特的二进制位也可以保持零和一这样的值，但它们可以同时保持这些值。这是由于叠加现象造成的。由于量子比特的值是由其自旋决定的，因此两个值同时存在于一个量子比特上。每个量子位都有一个自旋，或正或负。这种自旋可以用二进制表示为 1 或 0。然而，在任何给定时间内，量子比特都有可能具有正自旋，用 "1 "表示;也有可能具有负自旋，用 "0 "表示。

因此，在任何给定时刻，量子比特具有上旋的概率用 alpha 表示，具有下旋的概率用 Beta 表示，等式为|Ψ⟩ = α|0⟩ + β|1⟩

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