第二百零一章 量子算法和物理实现
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接下来的几天，庞学林主要精力都放在了量子计算机的学习上面。
所谓量子计算机，就是一类遵循量子力学规律储存量子信息、实现量子计算的物理装置。
一般情况下，量子计算机的输入可以用一个具有有限能级的量子系统来描述。
如二能级系统，称之为量子比特。
量子比特|Ψ>=α|0>+β|1>可以是|0>态和|1>态的任意组合，其中α和β分别代表相干叠加态中的比例系数。
基于量子相干效应，α^2+β^2=1的条件系数取值有无穷多组，因此，量子比特所代表的的信息得以大大丰富。
根据量子比特的构成，又可以将量子计算机分为以下几种类型。
利用光子的偏振构建量子比特，即所谓的光量子计算机。
2017年，世界上首台光量子计算机诞生于中国科技大学。
利用被捕获离子或者原子的能级构建量子比特，即所谓离子型量子计算机。
目前离子型量子计算机还没有被制造出来，瑞典和奥地利的科学家曾经合作制造出了离子型量子计算机的基本元件，但距离制造真正的离子型量子计算机，还有一段时间。
最后一种，就是超导量子计算机，即利用超导线路，其中包括Cooper对以及与环流方向相关的左/右旋环流叠加态，构建量子比特。
目前IBM、谷歌、微软等公司正在这一领域展开激烈竞争。
量子的叠加性和量子相干性是量子计算机最本质的特征。
量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。
因此，量子计算机本质上是一种并行计算，在并行条件下能够在多项式时间内解决经典计算机指数时间内才能解决的问题。
例如，量子计算机能够在几秒钟内将一个250位的大数分解为两个质数的乘积，而当前的计算机完成此项工作需要耗时一百万年。
正因为如此，世界上才有无数来自数学、物理、化学等领域的顶尖学者，对量子计算机产生了兴趣。
同时也引起了政府部门以及商界的兴趣。
不过到目前为止，所谓的量子计算机都还只是一个昂贵的玩具。
中间夹杂着大公司如谷歌、IBM、微软等为了主导行业而进行的非科学性质的竞争。
比如几个月前，谷歌宣布的所谓量子霸权，更多的是源于商业利益，而并非技术上真的达到了那种程度。
目前，在量子计算机的研究领域，主要有两大分支。
分别是量子算法和物理实现。
实用型的量子算法又可以分为三个大类，第一类是以Shor算法为代表的基于量子Fourier变换方法寻找周期性的问题，进一步又可以归结为阿贝尔隐含子群的问题。
第二类算法叫做Gover算法。
Gover算法构建了基于概率幅放大方法的一类问题的基本框架，包括改进型的Gover算法、碰撞问题、量子遗传算法、量子模拟退火算法、量子神经网络等。
第三类属于模拟或者解决量子物理问题的算法，包括费曼提出的用量子计算机加速量子物理仿真的原创性设想，近期也有基于量子随机游走，尤其是连续时间量子随机游走的算法，其中就包括由麻省理工大学理论物理中心主任爱德华·法里和古特曼合作提出的NAND树的布尔逻辑计算算法等。
而量子计算机的物理实现，难度比量子算法还要大很多。
首先，量子计算机的物理系统必须满足以下几点要求。
第一，具有可伸缩、特性良好的量子比特位。
第二，能够初始化量子比特到某个基准态，如|000…>。
第三，必须具有足够长的相干时间，要比完成量子门的操作时间长很多。
第四，具有一套通用的量子门。
第五，能够实现对特定量子比特位的测量。
为了能够在物理上实现量子计算，研究人员们基于以上几个要求，在两大方向上进行了深入的研究。
第一种，就是基于固态电磁电路的量子计算机。
这种方案又包括自旋系统，超导系统，量子点系统，核磁共振系统等不同方案。
第二种就是基于量子光学系统的量子计算机。
包括离子阱、腔量子电动力学系统、线性光学系统、光子晶体和光子晶体束缚冷原子体系等实现方案。
……
花了整整半个月的时间，庞学林将一百篇论文以及系统给的量子计算机的技术手册全部刷了一遍，对量子计算机有了一个基本的了解。
然后他发现，想要将系统给的这台量子计算机在现实中制造出来，短时间内可能性不大。
因为系统给的这台量子计算机，属于拓扑量子计算机，其量子芯片内的量子比特数，高达一千万个，计算力比全世界所有计算机加起来还要高出好几个数量级。
而想要制造这种量子芯片，需要基于一种1/4电荷的准粒子，这种粒子的行为与那些带有奇数分之一电荷的准粒子十分不同，当电子、光子或是带有奇数分之一电荷的粒子和另外一个粒子交换位置时，不会产生多大的整体效应。
相比而言，1/4电荷准粒子的位置交换可编织出一个能保留粒子历史信息的“辫子”，表现出了具有“非阿贝尔”特性。
虽然现实世界早在2008年，就已经有以色列的科学家发现了这种准粒子的存在。
但想要准确找到对应的材料，需要投入的人力物力，基本上是一个天文数字。
不过虽然没办法将这台量子计算机的量子芯片，但通过这本技术手册，庞学林却找到了一条利用石墨烯材料与常规超导体的近邻效应，构建马约拉纳费米子的办法。
而马约拉纳费米子，恰恰是实现真正意义上量子拓扑计算的最关键的一步。
“或许，谷歌所说的量子霸权，可以在我的手里实现。”
庞学林喃喃自语道。
所谓量子计算机，就是一类遵循量子力学规律储存量子信息、实现量子计算的物理装置。
一般情况下，量子计算机的输入可以用一个具有有限能级的量子系统来描述。
如二能级系统，称之为量子比特。
量子比特|Ψ>=α|0>+β|1>可以是|0>态和|1>态的任意组合，其中α和β分别代表相干叠加态中的比例系数。
基于量子相干效应，α^2+β^2=1的条件系数取值有无穷多组，因此，量子比特所代表的的信息得以大大丰富。
根据量子比特的构成，又可以将量子计算机分为以下几种类型。
利用光子的偏振构建量子比特，即所谓的光量子计算机。
2017年，世界上首台光量子计算机诞生于中国科技大学。
利用被捕获离子或者原子的能级构建量子比特，即所谓离子型量子计算机。
目前离子型量子计算机还没有被制造出来，瑞典和奥地利的科学家曾经合作制造出了离子型量子计算机的基本元件，但距离制造真正的离子型量子计算机，还有一段时间。
最后一种，就是超导量子计算机，即利用超导线路，其中包括Cooper对以及与环流方向相关的左/右旋环流叠加态，构建量子比特。
目前IBM、谷歌、微软等公司正在这一领域展开激烈竞争。
量子的叠加性和量子相干性是量子计算机最本质的特征。
量子计算机对每一个叠加分量实现的变换相当于一种经典计算，所有这些经典计算同时完成，并按一定的概率振幅叠加起来，给出量子计算机的输出结果。
因此，量子计算机本质上是一种并行计算，在并行条件下能够在多项式时间内解决经典计算机指数时间内才能解决的问题。
例如，量子计算机能够在几秒钟内将一个250位的大数分解为两个质数的乘积，而当前的计算机完成此项工作需要耗时一百万年。
正因为如此，世界上才有无数来自数学、物理、化学等领域的顶尖学者，对量子计算机产生了兴趣。
同时也引起了政府部门以及商界的兴趣。
不过到目前为止，所谓的量子计算机都还只是一个昂贵的玩具。
中间夹杂着大公司如谷歌、IBM、微软等为了主导行业而进行的非科学性质的竞争。
比如几个月前，谷歌宣布的所谓量子霸权，更多的是源于商业利益，而并非技术上真的达到了那种程度。
目前，在量子计算机的研究领域，主要有两大分支。
分别是量子算法和物理实现。
实用型的量子算法又可以分为三个大类，第一类是以Shor算法为代表的基于量子Fourier变换方法寻找周期性的问题，进一步又可以归结为阿贝尔隐含子群的问题。
第二类算法叫做Gover算法。
Gover算法构建了基于概率幅放大方法的一类问题的基本框架，包括改进型的Gover算法、碰撞问题、量子遗传算法、量子模拟退火算法、量子神经网络等。
第三类属于模拟或者解决量子物理问题的算法，包括费曼提出的用量子计算机加速量子物理仿真的原创性设想，近期也有基于量子随机游走，尤其是连续时间量子随机游走的算法，其中就包括由麻省理工大学理论物理中心主任爱德华·法里和古特曼合作提出的NAND树的布尔逻辑计算算法等。
而量子计算机的物理实现，难度比量子算法还要大很多。
首先，量子计算机的物理系统必须满足以下几点要求。
第一，具有可伸缩、特性良好的量子比特位。
第二，能够初始化量子比特到某个基准态，如|000…>。
第三，必须具有足够长的相干时间，要比完成量子门的操作时间长很多。
第四，具有一套通用的量子门。
第五，能够实现对特定量子比特位的测量。
为了能够在物理上实现量子计算，研究人员们基于以上几个要求，在两大方向上进行了深入的研究。
第一种，就是基于固态电磁电路的量子计算机。
这种方案又包括自旋系统，超导系统，量子点系统，核磁共振系统等不同方案。
第二种就是基于量子光学系统的量子计算机。
包括离子阱、腔量子电动力学系统、线性光学系统、光子晶体和光子晶体束缚冷原子体系等实现方案。
……
花了整整半个月的时间，庞学林将一百篇论文以及系统给的量子计算机的技术手册全部刷了一遍，对量子计算机有了一个基本的了解。
然后他发现，想要将系统给的这台量子计算机在现实中制造出来，短时间内可能性不大。
因为系统给的这台量子计算机，属于拓扑量子计算机，其量子芯片内的量子比特数，高达一千万个，计算力比全世界所有计算机加起来还要高出好几个数量级。
而想要制造这种量子芯片，需要基于一种1/4电荷的准粒子，这种粒子的行为与那些带有奇数分之一电荷的准粒子十分不同，当电子、光子或是带有奇数分之一电荷的粒子和另外一个粒子交换位置时，不会产生多大的整体效应。
相比而言，1/4电荷准粒子的位置交换可编织出一个能保留粒子历史信息的“辫子”，表现出了具有“非阿贝尔”特性。
虽然现实世界早在2008年，就已经有以色列的科学家发现了这种准粒子的存在。
但想要准确找到对应的材料，需要投入的人力物力，基本上是一个天文数字。
不过虽然没办法将这台量子计算机的量子芯片，但通过这本技术手册，庞学林却找到了一条利用石墨烯材料与常规超导体的近邻效应，构建马约拉纳费米子的办法。
而马约拉纳费米子，恰恰是实现真正意义上量子拓扑计算的最关键的一步。
“或许，谷歌所说的量子霸权，可以在我的手里实现。”
庞学林喃喃自语道。
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