量子计算 [0] -- 前置知识 & 大概计划

简介

量子计算机(Quantum computer)是一种使用量子逻辑進行通用计算的设备.  不同于电子计算机,  量子计算用来储存数据的对象是量子位元.  因為量子不像半导体只能记录0于1,  可以同时表示多种状态,  一次运算可以处理多种不同状况.  

(https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%87%8F%E5%AD%90%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA)

量子位  --  Qubit

量子位是量子计算机里储存和运算的基本单位,  如同电子计算机的比特(bit)一样,  量子位只是一种概念,  对应的实体是具有量子行为的物质,  比如说一个电子,一束光子甚至一团离子[备注: 是有可能把一团粒子制备为如同单个粒子一样的行为, 并且比单个粒子更稳定, 不容易产生实验误差].  

对于一个粒子, 在单一方向上测量自旋(Spin)可以测得  向下|0❭  和  向上|1❭  两种状态.  对于任意一个粒子,  测得|0❭或是|1❭是随机的,  测量的概率由粒子测量前的状态 |ψ❭ 给出的.  并且粒子的自旋是量子量,  |ψ❭可以处于|0❭于|1❭组成的叠加态(Superposition)中[备注: 当|ψ❭为叠加态时, 并不是说|ψ❭处在|0❭和|1❭之间的某个状态, 而且说同时处于|0❭和|1❭. 感觉上就是把两张图片按照不同的透明度叠加在一起形成新图片],  并且在测量时只会随机给出一种状态[|0❭或|1❭],  并且测量后|ψ❭会坍缩(Collapse)至相应的状态并且失去另外一个状态的信息.

因为量子位的实体是具有量子行为的物质,  所以量子位也存在干涉(Interference)和纠缠(Entanglement).  只不过因为量子位不会随着时间演化*[是会的, 这里说的是量子位所储存的信息],  所以干涉的效果并不明显*[对于量子位来说, 通过门时产生的"干涉"究竟是门的作用还是干涉的作用呢, 看自己心情来就好].

前置知识

量子计算涉及的数学并不会过于困难,  也就是复数和矩阵运算[或者用不上]而已.  以防万一,  这里来简单复习以下就好

复数 -- Complex number

有一说一, 复数真的过于复杂*(complex).

定义-1的平方根为 i ,  则任意形式的 a+b*i 可以表示为复数  (其中a, b都是实数),  并称 a 为实部(Real part),  b 为虚部(Imaginary part).

红色大字: 切记切记 ! 复数是一个数字 ! 而不是两个更不是三个 !!

复数的加减乘除都不多说了[yysy, 这辈子都没见过多少次除法 (小声)],  但是这里需要提一下复数的另一种表达方式: L*e^(i*θ) .  如同全体实数可以画出一条数轴,  全体复数也可以画出一个复平面:

这里,  L 称作模长(Mold length),  记作 |s|,  θ称作辐角(Argument).  一般来说L的取值是大于等于0,  而θ是[0, 2π)或 (-π, π] [L和θ取值是可以取全体实数的, 只不过常见是这样子].

矩阵运算

略:  向量, 矩阵, 内积, 外积, 等

由于篇幅限制[其实是我懒了],  这里也暂时不讲述线性代数的内容了,  并且狄拉克符号(Dirac notation, 又bra-ket)的功能就像矩阵一样强大.  只不过需要记住,  矩阵运算和狄拉克符号都是不满足交换律的,  即  A*B ≠ B*A.

大概计划

接下来的专栏也是不定期更新,  会更多少内容也是未定,  不过起码会把量子计算的基础全部说完,  至于高级算法还是看看大家对量子计算感不感兴趣

自己也尝试做了一个模拟量子计算的python库,  目前还在整理阶段,  应该近期 (这个星期内)  会把库上传至github,  那时候就会动态通知大家的.  

也不奢求太多,  如果喜欢或者感兴趣的话可以给个赞

最后宣传一下自己创的一个群,  大家可以在里面随便聊啦,  平常自己的工作(摸鱼)进度都会实时反映在群里[指80%的时间都在向群友请教]

群号:  274767696

久违十万年地再写专栏, 真的不会组织语言了, 好困难 (