量子程序设计基础 | 从经典计算到量子计算（量子计算csdn）

原标题：量子程序设计基础 | 从经典计算到量子计算

本篇介绍量子计算的重要性01经典计算到量子计算20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作，这也是由熵增定律决定的，即在一个孤立的系统中，如果没有外力做功，则其总混乱度（熵）会不断增大。

Bennett证明了以下结论: 只要是可逆门构造的网络，能量零损耗就是可能的量子可逆门具有相同位数的输入/输出，在信息变换过程中不丢失输入信息，因此理论上不存在热耗散，可以有效地解决芯片的热耗问题理论上，量子门线路可以解决经典计算机的能耗问题。

其一，量子计算机将单个微观粒子作为信息载体，可以构建新体系下的信息存储和计算系统；其二，每个量子门都对应一个酉演算，而酉量子门总是可逆的，因此，基于量子门的量子线路也是可逆的，其能耗在理论上几乎为0如果要评选出20世纪最伟大的发明，那么电子计算机毫无疑问会是最有力的竞争者。

随着将电子管更换为晶体管以及半导体技术的发展，芯片的集成度越来越高，计算能力越来越强现在，即使普通手机的芯片也远不是当初的巨型机能比拟的摩尔定律曾经预言单位芯片上的晶体管数量将会每18到24个月翻一番，且性能增加一倍。

摩尔定律提出后的数十年中都准确地预言了半导体工业的发展 但是近年来，半导体工业的发展明显放缓，一方面是因为高精度光刻机的研发难度很大，另一方面是因为对于如此高密度的晶体管，散热已经成为一个很严重的问题各大半导体厂商已经逐渐进入低于10nm节点的阶段，晶体管的尺寸已经接近于经典物理极限。

这时，量子效应已经逐渐显现，它不仅会导致漏电流的问题，而且可能导致计算错误随着现代科技的不断进步，人们对计算能力的需求不断攀升虽然现代计算机的能力已经很强大，但经典计算机总是在某些领域存在短板，例如模拟量子系统。

量子系统的态空间可以随着粒子的数目呈指数增加，而计算机的计算能力只能随着芯片内部的晶体管数量线性增加因此，即使是现在最先进的超级计算机，也只能模拟有限规模的量子系统Feynman曾提出用量子计算机模拟量子系统，这正是量子计算机概念的起源。

虽然之后沉寂了数年，直到Shor大数因子分解算法、Grover量子搜索算法等算法被提出，人们才意识到量子计算的巨大优势，开始对其重视起来量子计算理论也迎来了大发展量子比特可以制备到两个计算基态|0〉和|1〉的叠加态。

n物理比特的经典存储器只能存储2 n 个可能数据中的某一个若是量子存储器，则可以同时存储2 n 个数据，并且随着n的增加，其存储信息的能力将呈指数上升理论上，一个250量子比特的存储器可能存储的数据达到2 250 个，比现有已知宇宙中的全部原子的数目还要多。

量子计算机在一次运算中可以同时对2 n 个输入数据进行数学运算，其效果相当于经典计算机重复实施2 n 次操作，或者采用2n个不同的处理器实行并行操作 可见，基于态叠加原理，量子计算机可以节省大量的运算资源(时间、记忆单元等)。

理论上，量子计算机会比现在甚至将来的任何经典计算机都强大得多例如，对于大数的质因子分解，现在还找不到有效的经典算法，然而利用“量子计算并行加速”可以设计出有效的量子算法以解决这个问题由于大数的质因子分解是目前广泛使用的保密通信的基础，因此这个结果极大地激发了量子计算的理论和实验实现的研究。

量子计算直接利用量子现象(量子叠加态和纠缠态等)操控数据量子计算机是遵循量子力学规律进行存储、运算及读出量子信息的一类物理装置当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它所进行的操作就是量子计算。

实例讲解量子程序设计基础

下期预告量子计算简史本节特色：量子革命和量子计算发展简史量子程序与量子编程本节特色：介绍量子程序和量子编程的概念，并推荐量子程序开发平台基于Python的量子程序设计本节特色：IBM量子程序开发套件的安装。

量子程序编程实例本节特色：创建并输出Bell态观测量子线路。量子态的可视化本节特色：单量子比特布洛赫球的可视化表示。02参考书籍《量子程序设计基础》作者：王震宇定价：54.50元

内容简介本书系统介绍量子线路和量子程序设计的基础知识及原理方法，精选的内容与编程实例旨在帮助学生培养量子程序设计、调试和分析等方面的基本能力，从而为将来的学习、研究和应用奠定基础全书既注重原理，又注重实践，学生通过编程训练和实践能更准确地理解量子计算的基本概念和基础理论。

本书概念讲解清楚，逻辑性强，通俗易懂，并配有大量图表、例题和习题，是初学量子计算和量子程序设计的理想教材，可作为高等学校相关专业本科生和研究生的教材，也可供广大从事量子信息科学研究的科技人员和学习量子程序设计的自学者参考。

扫码优惠购书返回搜狐，查看更多责任编辑：