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不論你是量子方向的研究者，還是媒體報導中的普通讀者，對於這個領域，你的第一個問題可能就是：量子是什麼。在Wiki百科中關於Quantum的解釋是這樣的：「In physics, a quantum is the minimum amount of any physical entity involved in an interaction」，即「一個物理量如果有最小的單元而不可連續的分割，就說這個物理量是量子化的，並把最小的單元稱為量子」。這個概念顯然有些晦澀。我們也許永遠無法精確表達這個神奇的概念，但我們可以從不同的角度去詮釋和理解它。
在物理學家的眼裡，量子也許是滿足量子效應的一類object，如微觀世界中的光子；量子也可能是宏觀的，比如基於超導實現的量子計算機（D-wave和IBM的量子計算機等）就告訴我們，作為宏觀物體的超導器件也會顯現出量子效應。這說明量子效應不僅是微觀粒子所特有的。我們再從計算機學者的視角來考慮，這時量子效應能創造出神奇的量子比特，量子狀態（量子態）獨有的特殊演化規律將賦予量子比特神奇的計算能力。那麼這些神奇到底是什麼？本期我們邀請國防科技大學吳俊傑老師來談談量子計算的基本原理。
來源：吳俊傑. 量子計算[J]. 中國計算機學會通訊，2017年第1期（總第131期）.
連結：
http://history.ccf.org.cn/sites/ccf/tybgcont.jsp?contentId=2968168085268
量子計算是一種與經典計算完全不同的、基於量子比特(qubit) 的全新計算技術。圖1解釋了量子計算的基本原理。經典計算用比特（bit，二進位位，這裡稱其為經典比特）表示0和1，比如，開關的「關」狀態表示為0，「開」狀態表示為1。顯然，一個經典比特在同一時刻只能表示0或1兩個數中的一個。而量子比特的載體遵循量子力學的規律，可以處於0和1的相干疊加態，也就是說，一個量子比特可以同時包含0和1的信息。這種特性稱為量子疊加，系統處於量子疊加的能力稱為相干性。對疊加的量子比特進行操作，就同時完成了對0和1的操作。這類似於傳統計算機中的單指令流多數據流(SIMD)並行；不同之處在於，SIMD並行需要兩個經典比特才能完成0和1的並行運算，而量子比特只需一個就可以。更重要的是，量子疊加所能同時表示的數隨著量子比特數目的增加而指數增長。N個量子比特能同時包含2N個數的信息，對這N個量子比特的運算就同時完成了對2N個數的運算。這種「超並行」 的運算方式帶來了量子計算的超強運算能力。
圖1 量子計算的原理
量子物理中充滿了各種違背人類直覺的詭異現象，而它們恰恰是構造量子計算的基本要素。圖2中展示了「讓這個世界以概率方式運行」的測量和「擁有詭異超距作用」的量子糾纏。圖2(a)中對疊加的量子比特進行測量，會改變疊加的量子比特，以概率的方式變為0或1。愛因斯坦不接受用這種概率的運行方式（非決定論），說「上帝不擲骰子」，但大量的物理實驗都在不斷印證量子物理的預言結果。量子糾纏是一種特殊的量子疊加狀態（稱為疊加態）。圖2(b)中有兩個量子比特，將00和11疊加在一起。如果對這兩個量子比特進行測量，它們會塌縮到00或者11。但是，如果第一個量子比特變成了0，那麼第二量子比特也一定會變成0；同樣地，如果第一個變成1，第二個也一定會變成1。關鍵在於，無論這兩個量子比特相距多遠，即使一個在地球上，另一個在火星上，如果一個量子比特發生塌縮，另一個也會以關聯的方式瞬時塌縮。
圖2 量子測量與量子糾纏
關於量子，我們初步的了解到這。吳俊傑老師用非常形象的例子解讀了量子的幾個重要特性：疊加、相干、並行、坍縮、糾纏。關於量子計算的挑戰與展望，歡迎閱讀作者原文。這些基本概念及相關線性代數的知識已能夠幫助我們展開對量子算法的討論。我們假定讀者具備線性代數的基礎知識。近期，我們將圍繞著對量子機器學習發展有著深刻影響的算法，即由Bristol大學的Aram Harrow和MIT的Avinatan Hassidim和Seth Lloyd合作提出的用於求解線性方程組的量子算法（HHL算法）開始討論，從相位估計、HHL算法到它的延伸算法進行具體的算法解讀，敬請期待。
最後，感謝吳俊傑老師的傾情分享。
吳俊傑
CCF體系結構專業委員會秘書長，國防科技大學副研究員。創立了國防科技大學計算機學院QUANTA小組，從事包括物理實現在內的量子計算各層次交叉研究。
JunjieWu@quanta.org.cn
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編輯：段小佳
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